WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ РИСА ( ...»

-- [ Страница 1 ] --

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ РИСА

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

На правах рукописи

УДК: 633.18:575:631.521+51.

ГОНЧАРОВА ЮЛИЯ КОНСТАНТИНОВНА

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ РИСА

(06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений ) Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Краснодар, 2014 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….. …………. 7

1. Повышение продуктивности культуры риса………………………..18 Использование гетерозисного эффекта: успешный опыт 1.1.

и перспективные направления работ……………………………………….19

1.2.Производство гибридов в Китае…………………………………………....20

1.3. Причины, сдерживающие развитие гибридного риса………………...24

1.4. Гибриды риса, культивируемые за пределами Китая…………………...27

1.5. Разработка методов, снижающих стоимость получения гибридных семян…………………………………………………………………………….31

1.6. Получение гибридных семян в странах, не применяющих рассадную технологию…………………………………………………………………………34

1.7. Альтернативные пути использования гетерозисного эффекта……… 35



1.8. Методы, облегчающие поиск гетерозисных гибридных комбинаций …..40

1.9. Природа гетерозисисного эффекта ………………………………..…....43

1.10. Использование гетерозиса межподвидовых гибридов в селекции риса ……………………………………………………………….50

1.11. Повышение продуктивности межподвидовых гибридов риса……...51

1.12. Сорта доноры генов WC……………………………………………....57

1.13. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica…….59

1.14. Физиологический базис гетерозиса и высокой продуктивности, наследование признаков их определяющих у риса………………………..62

1.15. Возможность повышения урожайности риса за счет изменения фотосинтетического потенциала агрофитоценоза………………............ 71 1.15.1. Вариабельность фотосинтетической активности между видами и подвидами риса……………………………………………………76 1.15.2. Роль фотосинтетической активности соцветия в формировании урожая

1.15.3. Взаимосвязь фотосинтетических признаков с продуктивностью..80 1.15.4. Перспективы повышения фотосинтетического потенциала культуры посредством создания растений риса с C4 типом фотосинтеза…..81 1.15.5. Наследование признаков определяющих эффективность фотосинтеза………………………………………………………………………83 1.15.6.Хлорофильные мутации…

1.16. Физиологические признаки, обеспечивающие адаптивность к абиотическим стрессам …………………………………………………........92 1.16. 1. Устойчивость риса к влиянию высоких температур………………...94 1.16.2. Устойчивость к засолению у риса …………………………………….99

2. Условия материал и методика исследований………………………........111

2.1. Почвенно-климатические условия………………………………………...111

2.2. Материал и методы исследований ………………………………………..113 2.2.1. Изучение влияния различных доз минерального питания и засоления …………………………………………………………….115 2.2.2. Методики изучения эффективности фотосинтеза отдельного листа………………………………………………………………116 2.2.3. Методика проведения исследований по влиянию высоких температур на продуктивность образцов риса…………………………………………………118 2.2.4. Анализ озерненности гибридов между образцами, относимыми к разным подвидам ………………………………………………………………………...121 2.2.5. Маркирование сортов риса проводили с использованием SSR маркеров………………………………………………………………………….122

3. Результаты и обсуждение. Повышение продуктивности культуры риса……………………………………………………………………………..124

3.1. Отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания…………………………………………………………………………124 Взаимосвязь скорости роста на начальных этапах развития с 3.2.

продуктивностью растений……………………………………………………126 Скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов 3.3.

риса……………………………………………………………………………...130 Величина гетерозиса по скорости роста зародышевого корня и стебля 3.4.

(колеоптиля)…………………………………………………………………….132 Генетика признака скорость роста колеоптиля у проростков риса…..137 3.5.

3.6. Генетика признака скорость роста зародышевого корешка у проростков риса ……………………………………………………………………………..139

3.7. Возможность повышения урожайности риса за счет изменения фотосинтетического потенциала агрофитоценоза…………. ……………141 3.7.1. Вариабельность относительного содержания хлорофилла у образцов риса в течении дня …………………………………………………………….142.

3.7.2. Межсортовая вариабельность по относительному содержанию хлорофилла у коллекционных образцов, источников ценных признаков... 143 3.7.3. Сравнительный анализ вариабельности общего содержания хлорофилла у сортов отечественной, итальянской и китайской селекции риса при измерении его с помощью прибора Chlorofhyll meter (SPADСравнительный анализ содержания пигментов у сортов отечественной, итальянской и китайской селекции с использованием спектрофотометра149 3.7.5. Сравнительный анализ генетического полиморфизма по удельной поверхностной плотности листа………………………………………………160 3.7.6. Сравнительный анализ генетического полиморфизма по скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2 у коллекционных образцов риса………

3.7.7. Оценка генетического полиморфизма по признаку «количество хлоропластов» …………….…………………………………………………...166 3.7.8. Кластеризация сортов по вкладу генетической системы определяющей эффективность фотосинтеза………………………………

–  –  –

3.7.12. Разработка методики ранней диагностики высокопродуктивных форм

3.7.13. Наследование признака «продолжительность работы листовой поверхности листа» у риса………………………………..…………………...188 3.7.14. Наследование признаков определяющих морфотип растения и архитектонику стеблестоя…………………………………………….……….192 3.7.14. 1.Наследование признаков, определяющих угол наклона листа у риса ………………………………………………..……………….…..192 3.7.14. 2. Генетика признака выход метелки у риса……………………….....196 3.7.14.3. Наследования признаков, определяющих размеры флагового листа…………………………………………………

3.7.14. 4. Наследование признака "длина флагового листа"…………….......201 3.7.14. 5. Наследование признака "ширина флагового листа"……………....202 3.7.15 Наследование признаков, определяющих содержание пигментов……………………………

Гибридологический анализ признаков, определяющих 3.7.16.

содержание пигментов…………………………………………………………205 Корреляционные связи между признаками, определяющими 3.7.17.

содержание пигментов………………………………………………………...209 Генетическая система признаков, определяющих морфотип и 3.7.18.

фотосинтетическую активность растений риса…………………………….211 Полиморфизм российских сортов по локусам, определяющим 3.7.19.

интенсивность фотосинтеза в фазу созревания………………………………212 Физиологические признаки, обеспечивающие адаптивность к 3.8.

абиотическим стрессам…………………………………………….. ……… 215 3.8.1.1 Анализ изменений температуры воздуха в период вегетации риса по данным метеостанции п.Белозерный…………………………………………216 3.8.1.2. Физиологические аспекты влияния высоких температур на продуктивность риса………………………………………………………….220 3.8.1.3. Внутрисортовая специфика по устойчивости к высоким температурам у отечественных сортов риса…………………………………………………225 3.8.1.4. Выделение линий устойчивых к стрессовому фактору…………….231 3.8.1.5. Взаимосвязь между устойчивостью к фактору и стабильностью …

3.8.1.6. Воздействие высоких температур в фазу кущения………………………………………………………………………....234 3.8.1.7. Воздействие высоких температур в начальные фазы вегетации …237 3.8.1.8. Наследование признака устойчивости к высоким температурам …………………………………………………………………..240 3.8.1.9. Взаимосвязь между устойчивостью к фактору и продуктивностью………………………………………………………………246 3.8.2. Устойчивость риса к засолению……………………………………...249 3.8.2.1. Генетические системы, обеспечивающие устойчивость засолению у риса ………………………………………………………………250 3.8.2.2. Воздействие засоления в фазу проростков………………………...251 3.8.2.3. Воздействие фактора «засоление» в фазу цветения……………….264 3.8.2.4. Генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению у российских сортов риса различных групп спелости………………………...265 3.8.2.5. Генетический полиморфизм систем аттракции, адаптивности и микрораспределений продуктов фотосинтеза у перспективных образцов риса ………………………………………………………………………….....267 3.8.2.6. Разделение коллекционных образцов согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака………………273 Разделение сортов отечественной селекции согласно реакции на 3.8.2.7.

стрессовое воздействие по комплексу признаков…………………………..288 3.8.2.8. Молекулярное маркирование российских сортов риса с использованием маркеров, сцепленных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам …

3. 9. Совершенствование методов селекции на гетерозис ………….302 3.9.1. Использование культуры пыльников для закрепления гетерозисного эффекта у гибридов риса по методу В.А. Струнникова………

3.9.2. Селективная элиминация аллелей в культуре пыльников………...312 3.9.3. Модифицированная методика закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях……………………………………………………..319 Использование гетерозиса межподвидовых гибридов……... …….325 3.10.

Анализ озерненности гибридов между образцами, относимыми к 3.10.1.

разным подвидам ………………………………………………

3.10.2. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica…..330 3.10.3. Маркирование российских сортов риса и доноров генов широкой совместимости, с использованием маркеров связанных с SSR признаком………………………………………………………………………333 Характеристика полученного исходного материала с генами 3.10.6.

широкой совместимости WC……………………………………….................336 Характеристика сортов переданных на Госсортоиспытание ……...340 3.11.

3.11.1. Сорт Ивушка…………………………………………………………...341 3.11.2. Сорт Привольный – 4……………………………...…………………..343 3.11.3. Сорт Крепыш ………………………………………………………….345 3.11.4. Сорта с окрашенным перикарпом (Мавр и Гагат) …………………347 3.11.5. Результаты госсортоиспытания………………………………………353 ВЫВОДЫ……………………………………………………………………….357 РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ…………………363 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………...…365 ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………...411

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Потенциал увеличения посевных площадей под рисом в большинстве стран исчерпан. Следовательно, только повышение урожайности может способствовать росту валовых сборов зерна. Ученые многих стран отмечали, что, несмотря на повышение устойчивости к болезням и вредителям, потенциал продуктивности вновь создаваемых традиционными методами сортов остается на уровне сортов выведенных еще в 60-е годы прошлого столетия.

Практика селекции показала, что основные пути повышения урожайности культур: изменение морфотипа, применение гетерозиса и увеличение фотосинтетических показателей отдельного листа (Yuan L.P., 2000). Однако, только изменение морфотипа дает 2002; Peng S., лимитированное увеличение урожайности, также как и использование гетерозисного эффекта без улучшения морфотипа (Yang J., 2002 Pend S., 1998). Применение новых селекционных технологий (как, например, генной инженерии) должно комбинироваться с хорошими морфологическими характеристиками и высоким гетерозисом, причем не по одному, а, как минимум, по ряду признаков, в том числе физиологических, определяющих продуктивность и адаптивность, в противном случае они не принесут значимого вклада в урожай.

Для успешного создания гетерозисных гибридов необходимо комплексное изучение селекционного материала. Выделение доноров и источников эффективной работы генетических систем, определяющих адаптивность и продуктивность родительских форм создаваемых гибридов, изучение наследования признаков их определяющих, что обеспечит возможность прогнозирования величины признака при обьединении в генотипе гибрида наиболее эффективно работающих аллелей вышеперечисленных генов.

Применение гибридного риса позволяет переодолеть барьер повышения продуктивности культуры. Несмотря на то, что генетический и физиологический базис гетерозиса до сих пор дискутируется, многие морфологические и физиологические признаки, ответственные за его проявление известны. Фиксирование комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект, позволит создавать на основе генотипов гетерозисных гибридов сорта с аналогичной урожайностью, и при гибридизации этих сортов получить новое поколение гибридов с еще более высоким потенциалом продуктивности.

Исследования проводили в соответствии с заданиями государственных и ведомственных программ НИР по проблеме 0.51.15 (номер госрегистрации 880015414) и (номер госрегистрации 01880015403).

Цели и задачи исследований. Целью наших исследований являлось изучение генетического и физиологического базиса гетерозиса, наследования и полиморфизма признаков, определяющих его проявление, разработка методов фиксирования комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

- изучить отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, полиморфизм и наследование признаков, характеризующих скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса;

провести сравнительный анализ вариабельности относительного содержания хлорофилла, пигментов, удельной поверхностной плотности листа, скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2, количества хлоропластов коллекционных образцов риса и кластеризацию сортов риса по вкладу генетической системы, определяющей эффективность фотосинтеза;

изучить вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;

- провести анализ наследования признаков, определяющих эффективность фотосинтеза, обосновать включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений;

- выявить полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;

- изучить внутри и межсортовую сортовую специфику по устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы вегетации, выделить линии, устойчивые к этому стрессовому фактору;

- изучить наследование признака устойчивость к высоким температурам и взаимосвязь между адаптивностью к фактору и продуктивностью;

- изучить генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению российских сортов риса различных групп спелости, разделить коллекционные образцы риса согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков, для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака;

- провести молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам;

- создать исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов, изучить корректность отнесения российских сортов риса к подвиду indica;

эффективность использования культуры пыльников для

-оценить закрепления гетерозисного эффекта гибридов риса по методу Струнникова В.А., усовершенствовать методы фиксации комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект, создать сорта риса с использованием методик закрепления гетерозисного эффекта.

Научная новизна исследований

- изучен полиморфизм и наследование ряда признаков, определяющих физиологический базис гетерозиса: отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса, эффективность фотосинтеза;

- обосновано включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений, сорта риса кластеризованы по вкладу генетической системы определяющей эффективность фотосинтеза, изучена вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;

- выявлен полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;

- изучена меж и внутрисортовая специфика и наследование устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы вегетации, выделены линии адаптивные к стрессовому фактору;

- установлена взаимосвязь между устойчивостью к высоким температурам и продуктивностью, влияние цитоплазмы на устойчивость гибрида к воздействию высокой температуры;

- выявлен генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению у российских сортов риса различных групп спелости, выделены образцы, основной механизм солеустойчивости в фазу цветения, которых – снижение поступления солей в репродуктивные органы, коллекционные образцы риса кластеризованы согласно реакции на стрессовое воздействие;

- проведено молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам (засолению, низким температурам);

- установлена необходимость включения в перечень признаков, на основании которых проводиться разделение отечественных образцов на подвиды indica и дополнительных характеристик для сокращения числа japonica, некорректно отнесенных образцов, создан исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов;

- впервые на растительном объекте показана эффективность метода закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях предложенного Струнниковым В.А. на организменном и молекулярном уровнях, разработана и запатентована модифицированная методика закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях, созданы сорта риса с ее использованием.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

Полученные данные по генетическому контролю признаков, определяющих эффективность фотосинтеза, скорость роста, морфотип, устойчивость к высоким температурам, засолению, выделенные доноры и источники в дальнейшем будут использованы в селекции новых сортов риса с улучшенными характеристиками по перечисленным признакам.

Включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем, формирующих изменчивость количественных признаков, позволит более эффективно использовать создаваемые базы данных по вкладам генетических систем в продуктивность образцов.

Выявленый полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими хозяйственно ценные признаки, позволяет вести эффективную маркерную селекцию на изученные признаки, в том числе проводить интрогрессию ценных аллелей из выявленных доноров в перспективные сорта риса.

Разработанные методики выделения высокопродуктивных растений на ранних этапах развития, основанные на контроле вклада двух генетических систем: скорости роста на ранних этапах развития и содержания пигментов, позволят значительно сократить трудоемкость отборов в гибридных комбинациях, и гетерозисных комбинаций среди гибридного материала в традиционной и гетерозисной селекции.

Полученные данные о внутрисортовом полиморфизме позволят предотвратить снижение продуктивности сортов при высоких температурах путем отбора семей, минимально снижающих продуктивность при воздействии фактора.

Выявленное в пошаговом анализе минимальное количество признаков, позволяющих достоверно разделить образцы на группы согласно реакции на стресс, позволит проводить кластеризацию сортов с различным механизмом устойчивости к засолению с минимальными затратами.

Установленная необходимость включения в перечень признаков, на основании которых проводится разделение отечественных образцов на подвиды indica и japonica дополнительных характеристик позволит достоверно разделять образцы на подвиды.

Показанная эффективность метода закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях, предложенного Струнниковым В.А., подтверждает его теорию о природе гетерозисного эффекта.

Разработанная и запатентованная модифицированная методика закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях может быть использована для экспрессного создания сортов различных культур.

Научная и практическая значимость разработанных и усовершенствованных методов создания исходного материала и селекции подтверждается созданием на их основе сортов риса: длиннозерный Ивушка, крупнозерный – Крепыш, среднезерный – Привольный - 4, среднезерный с окрашенным перикарпом (черный) - (Мавр), длиннозерный с окрашенным перикарпом (черный) - (Гагат), короткозерный с окрашенным перикарпом (красный) - (Рыжик).

На защиту выносятся следующие положения:

- отзывчивость гетерозисных гибридов риса на уровень минерального питания, полиморфизм и наследование признаков, характеризующих скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса;

- включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем, формирующих изменчивость количественных признаков, кластеризация сортов риса по вкладу генетической системы, определяющей эффективность фотосинтеза;

- вариабельность общего содержания хлорофилла, пигментов, удельной поверхностной плотности листа, скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2, количества хлоропластов у коллекционных образцов риса, наследование признаков, определяющих эффективность фотосинтеза;

вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;

- полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;

- устойчивость российских сортов к высоким температурам в различные фазы вегетации, внутрисортовая специфика по устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса;

- наследование признака устойчивость к высоким температурам и взаимосвязь между адаптивностью к фактору и продуктивностью;

- генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению российских сортов риса различных групп спелости, результаты кластеризации коллекционных образцов риса согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков;

- молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам;

- эффективность использования культуры пыльников для закрепления гетерозисного эффекта гибридов риса по методу Струнникова В.А.;

- усовершенствованная методика фиксации комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект;

- характеристика исходного материала с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов, методика отнесения российских длиннозерных сортов к подвидам риса.

- результаты создания сортов риса с использованием методик закрепления гетерозисного эффекта.

Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались на ежегодных отчетно-плановых сессиях ВНИИ риса гг.), Международной научно-практической конференции (1990-2013 «Генетические ресурсы культурных растений» (Санкт-Петербург, 2001 г.), Менделевском конгрессе (Брно, 2000г.), Симпозиуме « Генетические ресурсы и селекция риса для стран с умеренным климатом (Краснодар, 4-ом Международном симпозиуме по гибридному рису (Ханой, 2001);

Вьетнам, 2002 г.); 2-ой конференции Московского общества генетиков и селекционеров (Москва, 2003 г.); научно практической конференции «Экология.

Медицина. Образование» (Краснодар, 2000 г.); Международной научно практической конференции «Теория и практика гетерозисной селекции растений» (Харьков, 2003г); Международной научно практической конференции «Актуальные проблемы экологии в условиях современного мира» (Майкоп, 2001г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы, научное обеспечение и перспективы развития рисоводства в 21 веке» (Краснодар, 2003); Международной научной конференции «Эволюция научных технологий в растениеводстве », (Краснодар, 2004); Конференциях грантодержателей регионального конкурса РФФИ и администрации Краснодарского края «Юг России» « Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (с 2003 по 2010 гг);

Второй конференции московского общества генетиков и селекционеров им.

Вавилова посвященной 115- летию со дня рождения академика Н.И.

Вавилова. (Москва, 2003); Третьем сьезде генетиков и селекционеров России « Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы развития»

(Москва, 2004г.); Международной конференции «Интеграция науки и технологии для устойчивого развития растениеводства (Бангкок, 2008);

Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Москва, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2008, Международном симпозиуме «Нетрадиционное растениеводство.

2009);

Селекция. Эниология. Экология и здоровье» (Симферополь, 1999, 2000, 2001, 2003, 2007, 2008, 2009, 2011); Международной научно-практической конференции «Проблемы ресурсосберегающего производства и переработки экологически чистой сельскохозяйственной продукции» (Краснодар, 2006);

Международной научно-практической конференции « Вавиловские чтения»

(Саратов, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Агрохимия почвоведение история и современность» (Краснодар, 2009); 6 международном симпозиуме по генетике риса (Манила, 2009); Пятом сьезде ВОГИС (Москва, 2009), Конференция кубанского общества генетиков и селекционеров (Краснодар, 2009, 2011); Международной конференции «Гетерозису у растений» (Штутгарт, Германия, 2009 г.); Третьем международном симпозиуме по рису (Ханой, 2010); Международной научной конференции « Значение научного наследия Академика ВАСХНИЛ и РАСХН М,С. Дубинина в современных работах ученых России РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязьева (Москва, 2011); Международной научнопрактической конференции «Основные направления селекции и современные технологии повышения адаптационного потенциала культуры риса в странах умеренного климата » (Краснодар, 2011); 6 cимпозиуме по гибридному рису (Индия, Хайдеробад, 2012 ); Международной конференции « Молекулярное маркирование и маркерная селекция» (Австрия, Вена, 2012); Международной конференции «Устойчивость растений к абиотическим стрессам» (Австрия, Вена, 2012).

Публикация результатов исследований. Основные результаты исследований опубликованы в 120 работах, общим объемом более 100 печатных листов, из них 27 работ в изданиях рекомендованных ВАК, 13 – на английском языке, в том числе главы в книгах «Гибридный рис для обеспечения пищевой безопасности, борьбы с бедностью и защиты окружающей среды» (Hybrid rice for food security, poverty alleviation, and environmental protection, 2003 г), и Ускорение развития технологии получения гибридного риса «Accelerating Hybrid rice development, 2010г. ») изданных международным институтом риса (Philippines); 2 монографиях «Использование культуры пыльников в селекции риса», « Вариабельность, наследование и связь с продуктивностью признаков, определяющих эффективность фотосинтеза у риса », Краснодар, 2013 г., получено 3 авторских свидетельства на сорта риса, 1 патент на изобретение, 3 на сорта риса.

Структура работы. Диссертация изложена на 420 страницах текста компьютерного исполнении и состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, рекомендаций для селекции и производства, списка использованной литературы и приложения. Экспериментальный материал представлен в виде 173 таблицы, 107 рисунков. Список использованной литературы включает 423 источника, из них 226 на иностранных языках.

1. ПОВЫШЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ РИСА

Потенциал увеличения посевных площадей под рисом в большинстве стран исчерпан. Следовательно, только повышение урожайности может способствовать росту валовых сборов зерна (Guohui М., Yuan Longping, 2002).

Однако ученые многих стран отмечают, что, несмотря на повышение устойчивости к болезням и вредителям, потенциал продуктивности вновь создаваемых традиционными методами остается на уровне сортов выведенных еще в 60-е годы прошлого столетия. Практика селекции показала, что основные пути повышения урожайности культур: изменение морфотипа, применение гетерозиса и увеличение фотосинтетических показателей отдельного листа (Yuan L.P., 2002; Peng S., 2000; Ковалев В.С., 2011; Костылев П.И., 2004).

Так «Зеленая революция» позволила в 60-х годах прошлого столетия значительно увеличить урожайность риса за счет изменения морфотипа растений, применения сортов, отзывчивых на высокие дозы удобрений, расширения орошаемых площадей.

Следующий этап повышения урожайности культуры в конце 70-х начале 80-х годов прошлого столетия был следствием широкого промышленного получения гибридов риса. Использование гетерозисных гибридов позволило значительно увеличить урожайность многих культур и перешагнуть барьер повышения их продуктивности ( Балков И.Я., 1978; Балков И.Я. и др., 1997;

Дзюба В.А.,1975; 1987).

Однако только изменение морфотипа дает лимитированное увеличение урожайности, также как и использование гетерозисного эффекта без улучшения морфотипа (Yang J., 2002; Pend S., 1998). Применение новых селекционных технологий (как, например, генной инженерии) должно комбинироваться с хорошими морфологическими характеристиками и высоким гетерозисом, причем не по одному, а по ряду признаков, в том числе физиологических, определяющих продуктивность и адаптивность, в противном случае они не принесут значимого вклада в урожай. С другой стороны ускорение селекционного процесса в дальнейшем связано с прогрессом в генетике, биотехнологии, физиологии и дальнейшем взаимопроникновении этих дисциплин.

Для проявления гетерозисного эффекта гибрид должен нести не только гены повышающие продуктивность, но и комплекс факторов повышающих устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам, эффективность фотосинтеза, скорость роста.

Маркерная селекция, как правило, позволяет стабилизировать урожайность в стрессовых условиях, но не повышает потенциал продуктивности создаваемых сортов, поскольку облегчает интрогрессию отдельных генов. Чаще всего это гены адаптивности к биотическим и абиотическим стрессам.

Агротехнические приемы, повышающие урожайность, способствуют реализации потенциала продуктивности сортов, но также не позволяют его повысить.

1.1. Использование гетерозисного эффекта: успешный опыт и

–  –  –

Гибриды риса впервые в производственных масштабах были получены в Китае в 1973 году (Yuan L.P, 2002). Гетерозисные гибриды не только превосходят лучшие сорта традиционной селекции по урожайности в среднем на 20-50%, но и имеют увеличенное содержание белка в зерне, а также обладают повышенной адаптивностью к неблагоприятным факторам внешней среды. Производители гибридов отмечают их большую устойчивость к засолению, повышенным или пониженным температурам, вредителям и болезням в различные фазы развития.

Так, в Индии отмечена, как правило, большая устойчивость гибридов к абиотическим стрессам. При этом 14% из 65 сортов и 42 % из 20 изучаемых гибридов были устойчивы к недостатку воды в период вегетации (продуктивность их была в условиях стресса на 15-20 % выше, чем у сорта стандарта) (Viraktamath B.C., 2010).

Taблица 1 – Гибриды устойчивые к абиотическим стрессам (Viraktamath B.C., 2010) Стресс Перспективные гибриды Засуха DRRH-2, PSD-3, PSD-1, KJTRH-4 Засоление DRRH-28, PSD-3, KRH-2, HRI-148, JRH-8, PHB-71 Защелачивание Suruchi (MPH-5401), PHB-71, JKRHCRHR-5, DRRH-2, DRRH-3 Прибавка урожая из расчета на гектар составляет 1-2 тонны. Внедрение гибридов позволяет Китаю получать дополнительно 22 млн. тонн риса, не увеличивая, а сокращая посевные площади. Промышленное производство гибридов позволяет ежегодно получать Индии, у которой посевные площади под гибридами сравнимы с таковыми под рисом в нашей стране, дополнительно 450-500 млн. долларов, больше, чем все другие гибридные культуры совместно (Mao C.X. and Virmani S.S., 2002).

1.2. Производство гибридов в Китае

Общая площадь, занятая посевами риса в Китае, 30 миллионов гектаров. Посевы гибридов занимают более половины всех посевных площадей риса (16 млн. га). Средняя урожайность риса по стране - 6,2 т/га, гибридов- 6,9 т/га, сортов- 5,4 т/га. Причем средняя урожайность, как гибридов, так и сортов, за последние 25 лет, возросла на 62 % и 54 % соответственно. Продуктивность гибридов во все годы была выше урожайности сортов традиционной селекции. В то же время процент превышения значительно варьировал от 21,1 % до 53,2 %, достигая максимума в неблагоприятных условиях (Yuan L.P., 2002).

–  –  –

Рост продуктивности гибридов в Китае связан с работой над двумя программами: создания с 1981 двухлинейного риса с использованием термо и фото чувствительных стирилизующих цитоплазм; создания супер гибридов риса с 1996. Уже к 2010 году площадь под двухлинейными гибридами риса была 3,5 млн. гектаров, что составляет около 20 % площадей под всеми гибридами.

Супер гибриды риса, селекция которых начата 1996 году, должны сочетать в себе сверхвысокий гетерозис межподвидовой гибридизации с новым морфотипом (NPT) и пирамидированными генами устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам. К 2011 году они занимали 6,6 млн.

га со средней урожайностью 9 т/га к их числу относят 52 гибрида.

Максимальные площади занимают 3 гибрида из этой группы их название и происхождение приведены в таблице 3.

–  –  –

Селекционная работа в Китае проводится в нескольких направлениях:

создаются как сорта, так и гибриды двух и трех линейные (таблица 4).

Таблица 4 - Сорта и гибриды зарегистрированные в Китае (Cheng Shihua, 2012).

Зарегистрировано В 2010 году Процент от общего числа

–  –  –

Потенциал продуктивности вновь создаваемых гибридов растет по мере создания новых более урожайных сортов традиционной селекции (Cheng Shihua, 2012) Испытания нового поколения гибридов (супергибридов риса) начались в Китае с 2000 года. Испытания приводились в различных местностях на участках от 6,7 до 67 га каждый. Средняя урожайность гибридов на демонстрационных посевах составляет 10,5 т/га. Урожайность на участках коммерческого производства (1,2 млн. га.) в 2001 г. составила 9,2 т/га.

У некоторых гибридов на экспериментальных участках урожайность была 12т/га. В целом потенциал продуктивности нового поколения гибридов, широкое производство которых начато в 2005 г, превышает таковой в гибридных комбинациях первой волны на 15-20 % и составляет 12 т/га.

К 2011 году площадь под гибридным рисам в Китае достигла 18 млн.га (60 %). Максимальные площади под гибридным рисам были в 2005 году до 19 млн. га., около 70 % от всех площадей под рисом в стране ( рисунок1 ).

Рисунок 1- Посевные площади под гибридами риса в Китае. Верхний график посевные площади гибридов риса, нижний- процент от площадей под рисом (Cao Liyong, 2012).

Основное внимание на данном этапе уделяется расширению посевных площадей гибридов на севере Китая (4,5 млн. га), где главным образом выращивается рис японского подвида и гибриды занимают только 10 % посевных площадей. Отмечен недостаток в получении гетерозисных комбинаций подвида japonica, адаптированных к северу Китая, а также повышения качества и уменьшения периода вегетации существующих гибридов, а также внедрение межподвидовых гибридов (Ma Guohui, Yuan Longping, 2002;Yuan Longping, 2012).

В настоящее время реализован только один гибрид подвида japonica на национальном и 8 на региональном уровне. У лучшего из них Yongyou 12 в 2011 году на площади 6,6 га зарегистрирована урожайность 13,65 т/га.

Максимальная урожайность этого гибрида отмечена в провинции Zhejiang 14,15t/ha. Этот гибрид занимает около 3 % площадей риса подвида japonica в Китае (Cao Liyong, 2012).

1.3. Причины, сдерживающие развитие гибридного риса В докладе руководителя программы по гибридному рису (Fan Min, 2012) в Международном институте риса отмечено снижение активности государственного сектора по внедрению гибридов в производство (таблица 5).

Таблица 5 - Тенденции развития гибридного риса (Fan Min, 2012)

–  –  –

Основными причинами, сдерживающими развитие гибридного риса, остаются трудность получения их семян, необходимость повышения устойчивости образцов к болезням и вредителям, и качества зерна, недостаток квалифицированных кадров.

Для получения гибридных семян в Китае и других станах, применяют рассадную технологию. Растения ЦМС линий высаживаются в возрасте 15-25 дней вручную в поле на расстоянии 20 см одно от другого, позднее в 3 срока (для синхронизации цветения) высаживаются опылители. Данную технологию применяют в Азии и для выращивания традиционных сортов.

Это позволяет не только сократить количество высеваемых семян на гектар (с 200-250 кг в Росии, до 15 - 20 кг в Азии), но и значительно улучшить экологическую обстановку, так как не приходится использовать гербициды для борьбы с сорняками. Перед посевом растений риса при таком способе производства сорняки уничтожаются полностью при перепахивании, а с вновь вырастающими подросшие растения риса могут успешно конкурировать.

Производство гибридного риса требует систематического, комплексного подхода, более тщательного, чем у сортов, и даже чем у других культур при получении гибридов. Отсутствие контроля на любом этапе производства семян, может значительно сократить урожай, снизить чистоту полученного материала, а также повысить цену на гибридные семена. Так, в 1975 г. при промышленном получении гибридных семян получали всего 274 кг/га. По мере роста квалификации персонала, а также получения линий с улучшенными характеристиками цветка и других признаков, влияющих на величину аллогамии, также росли и показатели урожайности гибридных семян, достигшие к 1990 году 2,25 т/га (Mao C.X., Virmani S.S., 2002). К 2001 году в Китае средняя урожайность достигла 2,7 т/га и 1-1,5 т/га за пределами Китая. Перед учеными Китая поставлена задача - повысить выход гибридных семян до 3 - 4,5 т/га, а также снизить их цену. Самый высокий урожай семян 4,8 т/га получен в Индии на небольшом участке, что подтверждает возможность значительного увеличения существующих показателей при получении семян гибридов.

Другим фактором сдерживающим развитие гибридного риса является низкое качество крупы, получаемой из гибридов, не отвечающее требованиям многих стран потенциальных производителей риса. Однако отмечено, что оно во многом зависит от используемых родительских линий и их признаков качества. С улучшением характеристик компонентов скрещивания повышается и качество семян гибрида. Уже созданы и родительские формы, и гибриды с улучшенными характеристиками (таблицы 6 -7).

–  –  –

1.4. Гибриды риса, культивируемые за пределами Китая К 2001 году около 20 стран уже начали собственные селекционные программы по гибридному рису, налажено производство около 40 гибридов.

Наибольших успехов в данном направлении добились страны: Китай, Вьетнам, Индия, Филиппины, США, Бангладеш. Посевные площади под гибридами риса приведены в таблицах 8 - 9 (рисунок 2).

–  –  –

Рисунок 2 - Рост площадей под гибридным рисом (млн.га.) в Китае (верхний график) и за пределами Китая (нижний) в период с 1976 до 2011 года (Long Y., 2012 ).

Национальные программы по гибридному рису приняты во многих странах Юго-западной Азии. При помощи IRRI ежегодно проводятся курсы подготовки и консультации по селекционным и семеноводческим вопросам производства гибридов риса (Virmani S.S., 2002).

После Китая в 1996 гибриды заняли максимальные площади во Вьетнаме. Китай и Вьетнам обладают сходными климатическими условиями. Коммерческий успех Китая в производство гибридов риса воодушевил ученых Вьетнама к адаптации этой технологии для увеличения их урожая в стране, особенно на орошаемых площадях дельты Красной реки. Несколько Китайских гибридов было интродуцировано во Вьетнаме, и их урожайность значительно превышала таковую местных сортов. В 1996 году была закуплена партия семян гибридов, достаточная для посева на площади 86000 га и роздана фермерам дельты Красной реки. Урожайность гибридов изучалась 1993-1995 г, и была выше, чем у сортов летом на 36,6 а зимой на 24,5 - 81,1 % (Nguyen Tri Hoan, 2012).

Однако производство гибридов полностью зависело от импорта Китайских семян, стоимость которых значительно превышает таковую семян сортов. Кроме того, закупленные гибриды были чувствительны к коричневой цикадке и бактериальному ожогу. В сотрудничестве с международным институтом риса (IRRI) данные трудности были преодолены. Интродуцированные из IRRI гибриды и родительские линии были более приемлемы для выращивания в условиях Вьетнама, как для дельты Красной реки, так и для реки Меконг, так как показали большую устойчивость к коричневой цикадке и бактериальному ожогу. Налажено производство собственных гибридов. Сейчас посевные площади во Вьетнаме под гибридным рисом увеличиваются с каждым годом, в 2001 г они достигли 450 000 га, к 2011 году 585 000 га (урожайность 6,7 т/га) (Nguyen Tri Hoan, 2012).

Всего в Индии рис выращивают на 44 млн. га, производя до 100 млн. т зерна в год. Однако для того чтобы удовлетворить растущие потребности страны необходимо уже к 2025 году производить около 130 млн.т., хотя как и в других странах отмечено снижение темпа роста урожайности вновь создаваемых сортов, уменьшение и деградация природных ресурсов (воды, почв и т.д.). В связи с этим в 1989 году в Индии была принята программа по гибридному рису. К 2011 году, открыто 11 исследовательских центров, занимающихся созданием и внедрением гибридов. Изучение продуктивности гибридов проводится в 35 регионах страны. Для районирования гибрид должен превосходить стандартный сорт на 10 %, а гибрид на 5 %. За период с 1994 по 2001 годы в стране было получено 28 гибридов, причем 9 из них совместно с Международным институтом риса (Viraktamath B.C., 2012). Всего в Индии реализовано 46 гибридов, 29 из них создано селекционерами государственного сектора и 17 – частного (таблицы 10 -11).

Таблица 10 - Гибриды, созданные в Индии до 2011 г (Viraktamath B.C., 2012).

–  –  –

В США работа по созданию гибридов начата 1980 году. Частная компания Rice Tec. Inc., создала 6 гибридов, производство которых может быть полностью механизировано.

Программа создания гибридного риса в Египте принята в 1987 году. Но поскольку урожайность сортов стране очень высокая, гетерозис в гибридных комбинациях очень редко достигает 15 %. Только недавно выделены гибриды с гетерозисом 10-15 % на проблемных почвах. Общая площадь под гибридами в Египте - 25 000 га.

В Японии, где программа создания гибридного риса принята 1983 году, площади под гибридным рисом незначительны. Компания по гибридному риса Mitsui Co создала 2 гибрида на 15-20 % превышающих урожайность местных сортов. Однако производство семян в стране экономически не оправдано (Viraktamath B.C., 2012).

В Индонезии с 1986 создано 35 гибридов, площадь под ними 1300 000 га. Однако отсутствие поддержки со стороны правительства сдерживает развитие отрасли (Hari Prasad A.S., 2012).

В России из-за неблагоприятных условий в период цветения и отсутствия дешевой рабочей силы гибриды не производятся, несмотря на то, что были созданы стерильные линии (Подольских А.Н., 1989), восстановители фертильности (Гончаров С.В., 2005), найдены гетерозисные комбинации (Гончарова Ю.К., 2001).

1.5 Разработка методов, снижающих стоимость получения гибридных семян В настоящее время для создания трехлинейных гибридов используют 9 стерилизующих цитоплазм (Long Y., 2012):

1. WA type wild abortive (Hainan)

2. G type Gambiaka (west Africa)

3. D type indica Dissi (D52/37)

4. ID type Indonesia 6 (Indonesia)

5. DA type dwarf wild ( Jiangxi)

6. K type japonica rice (K52)

7. HL type red-awned wild rice

8. BT type Chinsurah BoroII/Taichong65

9. DT type japonica rice (Taibei 8) Плохой выход метелки значительно сокращает озерненность стерильных линий, так как для многих стерилизующих цитоплазм характерно сокращение длины верхнего междоузлия. Около одной трети метелок не выходит из влагалища флагового листа у стерильных линий 97A, V20A, Ya ZA, Wu10 А.

Для увеличения выхода метелки при производстве гибридных семян используют гибберелловую кислоту, что является одной из главных причин их высокой цены, а также способствует снижению качества получаемого материала и загрязнению окружающей среды.

Использование гибберелловой кислоты значительно повышает цену гибридных семян, и снижение ее количества вносимого на гектар является основной целью исследований проводимых в Индии и Вьетнаме. Раннее проведенные исследования показали, что выход метелки увеличивается по мере повышения количества вносимой гибберелловой кислоты (GАЗ) до 240 г/га, причем возрастает и выход рылец. Установлено, что обработка смесью GАЗ и 0,5 % борной кислоты увеличивает озерненность гибридов до 30,1 %, по сравнению с контролем 24 %. Значительно снижает цену гибридных семян применение мочевины (1 %), борной кислоты (1 %), сульфата цинка (0,1 %), бифосфата калия (0,2 %) в комбинации с гиббереллиновой кислотой 30 г/га, не снижая выхода гибридных семян (Pandey М.Р. et al., 2002).

Другой метод решения данной проблемы предложен китайскими учеными: применение мутантных форм с геном eui увеличивающим длину верхнего междоузлия (Yang L. et al., 2002). Идентифицировано две пары рецессивных генов неаллельных друг другу eui 1 и eui 2, которые расположены соответственно в 5 и 10 хромосоме. Ген eui 1 увеличивает длину 1,2,3 междоузлия, eui 2 только размер верхнего междоузлия. Присутствие данных генов не только обеспечивает полный выход метелки, но и увеличивает ее длину, длину колосков, выход и продолжительность чувствительности рылец, а также восприимчивость растений к гибберелловой кислоте. Эффект гена eui 1 значительно варьирует в зависимости от условий среды по сравнению с eui 2. Гены увеличивают выход метелки соответственно на 5-10 см и 3-5 см, возрастает также число зерен на метелку и масса 1000 зерен на 0,5-1,5г, уменьшается количество соцветий на м 2 (Yang Rencui et al., 2002).

Во многих странах создаются линии с высокой аллогамией для увеличения выхода гибридных семян таблица 13.

Таблица 13 - Величина аллогамии ЦМС линий (Chen Shihua, 2012) Первое поколение Второе поколение ЦМС линий ЦМС линий ( с улучшенным морфотипом) ЦМС источник Zhenshan 97A Zhong 9A Chuanxiang 29A

WA ID WA

Выход рылец (%) 39,6 82,3 66,8 Величина аллогамии 35,7 75,6 69,5 (%) Урожай семян (т/га) 2,2-3 3,0 - 4,5 3,0-4,5 Количество 112 31 реализованных гибридов Создание гибридов с использованием ЦМС (цитоплазматической мужской стерильности) подразумевает использование линий восстановителей фертильности и закрепителей стерильности.

Сократить трудоемкость получения гибридов позволяет использование фото или генной мужской стерильности позволяющее отказаться от поиска или создания восстановителей фертильности и закрепителей стерильности. Идентифицировано 3 гена (pms1, pms2, pms3) фоточувствительной генной мужской стерильности (ФГМС), которые расположены в 7, 3 и 12 хромосомах соответственно (Lu Xing-Gui, 2002).

Пять генов (tmsl, tms2, tms3, tms4, tms5) термочувствительной генной мужской стерильности (ТГМС), которые расположены в 8, 7, 6, 9 и 2 хромосомах соответственно. Данные линии могут быть идентифицированы в поле, когда температура на 1-2 градуса ниже или выше чем обычно.

Найдены молекулярные маркеры для идентификации экологической генной мужской стерильности.

При термочувствительной ГМС растения фертильны при низких (23 °С) и полностью стерильны при высоких температурах (28°С). Стерильность фоточувствительной ГМС наблюдается при длинном дне (более 15 часов), фертильность - при коротком дне (менее 14,5 часов). Применение ТГМС и ФГМС частично облегчает задачу создания гетерозисных гибридов по сравнению с использованием ЦМС (цитоплазматической мужской стерильности), так как не требует поиска восстановителей фертильности, но тем не менее, также требует создания или поиска линий с высокой аллогамией - проблемы, наиболее актуальной для всей гетерозисной селекции риса. Большинство генов вызывающих ТГМС или ФГМС рецессивны, но найдены линии с доминантными генами. Температура, трансформирующая фертильность, индивидуальна для различных линий.

Одной из задач селекционеров является поиск линий с широким «коридором» стерилизующих условий, обеспечивающих более стабильное получение гибридных семян.

Гены фоточувствительной и термочувствительной генной мужской стерильности переносятся в элитные и перспективные линии в таких странах как Филиппины, Бангладеш, Китай, Шри-Ланка, Египет, Индия, Вьетнам.

Такие страны как Бангладеш, Иран, Шри-Ланка, Египет, Индонезия испытывают линии, полученные в IRRI (Xie, R. et al, 2002).

В 2001 году реализовано для производства в коммерческих масштабах 32 различных двухлинейных гибрида, испытания которых проводились в различных регионах. Размножают данные линии осенью или зимой или при поливе холодной водой. Они также могут быть размножены в высокогорных условиях. Двухлинейные гибриды в Китае по урожайности превосходят традиционные трехлинейные на 5 - 10%. В 2011 году из 353 сортов риса созданных в Китае 51 двух – линейный гибрид реализован на региональном уровне и 6 на национальном (Cao Liyong, 2012)

1.6. Получение и производство гибридных семян гибридов в странах, не применяющих рассадную технологию Одним из методов позволяющих отказаться от рассадной технологии является применение разбросного посева гибридных семян. Была отмечена лучшая способность к кущению у гибридов по сравнению с сортами, позволяющая сократить количество высеваемых семян до 30 кг/га. Подобный метод применяется в производстве гибридов в Японии, Корее, США. Однако отмечено, что при механизированном посеве невозможно использовать несколько его сроков, и возникает необходимость подбора синхронно цветущих родительских линий. Для этих целей в Бразилии ежегодно испытываются 2000-3000 гибридов, из которых 200 отбирается для дальнейшего изучения (Taillebois J., Maronezzi A., 2002). Кроме того, создаются стерильных линий. Величина гетерозиса в проведенных 400-600 исследованиях возрастает в ряду гибридов japonica/japonica (7-13 %), indica/indica (18-23 %), japonica/indica (42-47 %). Однако достаточно часто межподвидовые гибриды характеризуются высокой стерильностью, преодолеть которую возможно путем введения генов широкой совместимости (WC), препятствующих абортации гамет. Линии подвида japonica чаше несут гены широкой совместимости, чем подвида indica. Найдены молекулярные маркеры, тесно связанные с данными локусами, что облегчает поиск линий, обладающих генами WC.

Предложен разбросной метод посева для растений на стадии 4-5 листьев.

Данный метод позволяет значительно сократить трудоемкость процесса, по сравнению с рассадной технологией. Кроме тoгo, уменьшается время, необходимое для закладки метелки и кущения, что сокращает вегетационный период. Однако при этом способе уменьшается количество колосков на метелку, но увеличивается число продуктивных стеблей и колосков на площадь поверхности (Chen Ren-Tian et al., 2002). Данный метод может быть с успехом применен и в России на участках с плохой полевой всхожестью семян.

Для уничтожения линии опылителя предложено введение гена устойчивости к гербициду в стерильный образец, что позволяет легко уничтожить опылитель после цветения, опылив посевы гербицидом. Причем для получения гибридных семян высевают в соотношении 4:1 стерильную линию и восстановитель фертильности или закрепитель стерильности (Hak Soo Suh et al., 2002). Этот же метод, предложен для уничтожения краснозерных форм.

1.7 Альтернативные пути использования гетерозисного эффекта

Эффект гетерозиса, как известно, максимально проявляется лишь в первом поколении и не передается по наследству. В связи с этим особую значимость представляет проблема закрепления гетерозиса в поколениях (Авдеев Ю.И., 1997).

В мире не предложено реализованных подходов к закреплению гетерозиса гибридов в последующих поколениях, хотя исследования данной проблемы признано приоритетным. Многие лаборатории работают над ее решением, посредством создания апомиктично размножающихся форм (Петров Д.Ф.,1982; Сеилова Л. Б., 1984; Тырнов В. С., 2000; Авдеев Ю.И., 1997). Различают лабильный и фиксированный гетерозис. Если лабильный проявляется лишь в первом поколении и затухает в последующих, то фиксированный закрепляется в генетических системах организма (Семенов О.Г. и др, 2003). Закрепление гетерозиса может быть осуществлено путем перехода организмов на разные формы бесполого размножения. Бесполым путем преимущественно размножаются картофель, многие сорта плодовых, земляника, сахарный тростник, бананы и др. (Петров Д. Ф., 1988). У многих цитрусовых имеет место псевдогамия, при которой опыление цветков стимулирует развитие особи; сами семена и плоды возникают путем апогамии. Явление апогамии распространено среди трав. Сочетание гетерозиса с апогамией создает новые возможности для селекционного использования продуктивных гибридных форм.

Для растений, размножающихся семенами, проблема закрепления гетерозиса находится в стадии теоретических исследований. Считается, что наиболее эффективными способами решения проблемы закрепления гетерозиса у растений являются такие, как перевод гетерозисных гибридов на путь устойчивого апомиктического размножения и полиплоидизация гетерозисных гибридов, в результате которой скорость гомозиготизации в поколениях снижается (Тырнов В. С., 1994). Основой закрепления гетерозиса у аутополиплоидов является предпочтительная конъюгация и направленное расхождение хромосом в мейозе гетерозиготного автотетраплоида (Aa, Aa), ведущие к постоянному образованию гамет типа Aa, т.е к сохранению постоянной гетерозиготности (Мирюта Ю.П., 1965).

Возможный механизм повышения урожайности – существование генетических путей закрепления гетерозиготности в сорте. Один из таких путей – возникновение совмещения в локусах хромосом доминантных и рецессивных аллелей генов (например) что может происходить при неравном кроссинговере. У тетраплоидов равновесное закрепление разных пар аллелей связывают с закреплением гетерозиса (Авдеев Ю.И., 1997). Потомство гибридных растений F 1, полученное некоторыми исследователями методом культуры пыльников, соответствовало по своим характеристикам гибридам.

Априори гетерозис, полученный на основе явления доминирования, может быть зафиксирован этим способом, что является теоретической основой для его закрепления (Narayanan T, Virmani S., 1996). Предложено несколько альтернативных путей использования гетерозисного эффекта гибридов. Один из них - закрепление гетерозиса различными методами. В связи с этим обсуждается возможность получения вегетативно размножающихся многолетних растений риса. Среди диких родственников Orysa sativa L.

существует несколько многолетних корневищных форм, например Orysa longistominata. Генетический анализ показал, что гены, ответственные за формирование корневища расположены в третьей и четвертой хромосомах и ассоциированы с локусами OSR 16, RM 119 соответственно (Hu F. et. al., 2002). О гибридизации данных видов сообщалось неоднократно, но из-за тесной взаимосвязи признаков определяющих развитие корневища и признаков, определяющих низкую семенную продуктивность. Формы, сочетающие в себе высокую продуктивность и способность к вегетативному размножению, выделить пока не удалось.

Другой метод стабилизации гетерозиса апомиктичное размножение гибридов также предложен уже давно (Тырнов В.С.,1994; 1998). Проблема апомиктического размножения является одной из центральных в репродуктивной биологии растений и имеет существенное значение для усовершенствования методов селекции и повышения качества новых сортов, особенно у растений-перекрстников (Фоменко Н. Р., 2003). Являясь своеобразной формой семенного размножения, происходящей без слияния гамет, апомиксис обеспечивает материнскую наследственность, однородность потомства и высокую семенную продуктивность в неограниченном ряду поколений. В силу специфических особенностей цитологического и эмбриологического порядков, апомиксис способствует длительному сохранению желательных признаков, позволяет копировать ценные генотипы и фиксировать эффект гетерозиса (Петров Д. Ф., 1976; 1979).

Создание апомиктов привело бы к коренному перелому в селекции, поскольку удалось бы закрепить и довести до производства удачное сочетание высокого урожая и качества, ликвидировать сложную проблему поддержания компонентов гибрида, удовлетворить потребность промышленного производства в подборе отвечающих ему генотипов, а семеноводство "сделать простым и дешевым" (Балков И. Я., 1978; 1997;

Петров Д. Ф., 1982) Существует ряд подходов к решению этой проблемы, основанных на поиске и экспериментальном получении апомиктичных форм среди селекционных материалов (Подвигина О.А., 1994) при инцухтировании в высокогорных условиях самофертильных форм (Сеилова Л.Б., 1996), потомств от межвидовой гибридизации (Петров Д.Ф., 1988) и опылений пыльцой, облучнной высокими дозами гамма-радиации (Богомолов М. А., 2000).

Апомиксис, или бесполое размножение известен более чем у 300 видов, включая и родственные рису: кукуруза, сорго, пшеница (Сеилова Л. Б., 1984).

Однако у наиболее близких родственников апомиктичное размножение не обнаружено (Тырнов В.С., 2000а; Сеилова Л. Б., 1989). Вместе с тем, многие вопросы, связанные с причинами возникновения апомиктичных растений, особенностями формирования эмбриональных структур, изменяющих процесс полового размножения, остаются до сих пор не выясненными (Жужжалова Т. П. и др., 2001; Сеилова Л. Б., 1984, Подвигина О.А. и др., 1994).

Наиболее характерно для злаков образование апомиктично размножающихся форм путем апоспории или образование адвентивного эмбриона. При апоспории зародыш образуется не из клеток археспория, а из соматических клеток семяпочек, причем происходит замена мейоза рядом соматических митозов (Сеилова Л. Б., 1994). Адвентивная эмбриония характеризуется дегенерацией полового зародыша на ранних этапах развития, что стимулирует соматические клетки нуцеллюса, которые, разрастаясь, дают начало тканям, проникающим в зародышевый мешок и заменяющим зародыш. При развитии апомиктичных зародышей в культуре in vitro были выявлены отличия, которые выражались в замедлении процессов дифференциации тканей зародыша, в отсутствии формирования эндосперма, перисперма и семени (Тырнов В.С., 2000 б). Развитие зародыша завершалось непосредственным преобразованием его в проросток. Это дат возможность использовать эмбриокультуру для доращивания апомиктичных зародышей, что в дальнейшем может облегчить получение как апомиктичных растений, так и гибридов с их участием. Изучение плоидности у апомиктичных регенерантов в культуре in vitro выявило наличие гаплоидных, диплоидных и единичных миксоплоидных проростков (Сеилова Л.Б., 1996). Подобная разнокачественность обусловлена, по-видимому, факультативным апомикрисом, связанным с образованием не только гаплоидных, но и диплоидных зародышевых мешков путм диплоспории. Показано, что апомиктичные гамма-линии сохраняют ценные селекционные признаки исходных материнских форм и характеризуются высокой продуктивностью.

(Фоменко Н. Р., 2003) Однако гены, отвечающие за апомиктичное размножение, до сих пор не идентифицированы, не установлено даже их число. Были произведены попытки, перенести признак из модельного растения арабидопсис, в сорта риса методами биотехнологии, но трансформированные образцы быстро теряли способность к апомиктичному размножению (Bennett J.et al., 2002).

Недостаточная изученность проблемы апомиксиса, включающая морфогенетические, цитоэмбриологические, физиолого-биохимические свойства растений, препятствует развитию перспективных методов получения и использования апомиктичных форм в селекции.

Получение синтетических семян гибридов позволило бы сократить площади, занимаемые семенными посевами и получать семена круглогодично. Под синтетическими семенами в данном случае подразумевается использование соматических эмбрионов, в качестве эндосперма которых служит смесь регуляторов роста, элементов питания и антибиотиков. Для эффективного хранения синтетических семян необходимо объединить характеристики, связанные с состоянием покоя и устойчивостью к высушиванию. Технология саморазрушения оболочки включает замачивание семян в KNO3 увеличивающего скорость прорастания и превращение.

Проведены испытания полученных синтетических семян гибридов.

Максимальный процент получения проростков в опыте – 50 % (Krishnasamy V., 2002). Дальнейшие исследования направлены на массовое производство соматических эмбрионов, автоматизацию их получения и разработку методов хранения и высадки в поле.

1.8. Методы облегчающие поиск гетерозисных гибридных комбинаций Явление гетерозиса используется в практической селекции растений, вместе с тем мы до сих пор не имеем универсальной теории этого феномена (Гончаров С.В., 1992; Драгавцев В.А., 1990). Поэтому при получении гетерозисных гибридов, используемых в сельскохозяйственном производстве, испытывают огромное число линий на комбинационную способность, что очень трудоемко и снижает эффективность селекционного процесса (Волгин В.В., 2007; Новоселов С.Н., 2007). В связи с этим проблема целенаправленного получения гетерозисных форм является весьма актуальной. Одним из перспективных подходов к направленному получению и закреплению гетерозиса, повышению комбинационной способности линий и сортов при гибридной селекции является метод формирования компенсационных комплексов генов (ККГ), возникающих в ответ на отбор по жизнеспособности и продуктивности (плодовитости) на фоне полулеталей, разработанный В.А. Струнниковым и коллегами (Струнников В.А., 1974;

Струнников В.А., 1983; Струнников В.А., Струнникова Л.В., 2000).

На диплоидном уровне возможность целенаправленного формирования генетических компенсаций и их роль в проявлении гетерозисных эффектов продемонстрированы на самых различных объектах на шелкопряде (Струнников В.А., 1974; 1976; Струнников В.А. и др., 1983), на дрозофиле (Кайданов Л.З., 1979;1984; 1994; Маресин В.М. и др., 1985), на горохе (Соколов В.А., 1990; Гостимский С.А. и др., 1992; 1987), на ячмене (Наволоцкий В.Д., 1989).

Отмечены положительные корреляции между уровнем депрессии и эффективностью отбора, а также между значениями продуктивности у селектируемых мутантных линий и их гибридами. По крайней мере, отчасти это может быть объяснено наличием в мутантных линиях генетического груза, ликвидируемого в ходе отбора (Тараканова Т.К., 2004.) Повышенная гомозиготность линий в рассмотренных экспериментах склоняет в пользу гипотезы о незначительном вкладе в гетерозис эффектов сверхдоминирования (Струнников В.А., Струнникова, 2000; Струнников В А. и др., 1987;

Струнников В.А., 1974;1976; Соколов В.А., 1990 а; 1990 б; 1992). Нельзя не отметить и то, что большинство видов растений, для которых подтверждена эффективность использования метода В.А. Струнникова — горох, ячмень и пшеница - являются самоопылителями.

Наиболее эффективен отбор при поддержании линий в моносомном состоянии в связи с: 1) преобладанием естественного типа отбора, особенно существенного на стадии мужского гаметогенеза; 2) механизмом депрессии, основанном на уменьшении дозы генов и кумулятивном действии генетического груза, имеющегося в хромосоме, подвергаемой моносомному состоянию; 3) простотой и быстротой закрепления гетерозисных эффектов (выделение дисомных растений), исключающей возможность частичного разрушения ККГ в ходе его переноса в генотип исходного сорта методом насыщающих скрещиваний (Гончаров С.В., 1992; Тараканова Т.К., 2004).

Поскольку генетический груз в моносомном состоянии в значительной мере элиминируется, то основное значение в формировании компенсаций принадлежит, вероятно, именно уменьшению дозы генов и дефициту соответствующих генных продуктов. В этой связи логичным представляется то, что гетерозис был обнаружен главным образом по лабильным количественным признакам, связанным в своей реализации с интенсивностью метаболических процессов (накоплением биомассы). Это может быть обусловлено отбором регуляторных генов, увеличивающих экспрессию "дефицитных" структурных генов. Возможны и другие молекулярногенетические механизмы, компенсирующие недостаток соответствующих генов и их продуктов например, участие мобильных генетических элементов (Кайданов Л.З. и др, 1979; 1984; 1994). Наиболее перспективными для формирования ККГ генетическими депрессорами являются, по-видимому, мутации, приводящие к острому дефициту нормальных генных продуктов, т.е. гипоморфные, супрессоры важных в метаболизме структурных генов, и, конечно, моносомия (Соколов В.А., 1990).

В.А. Струнников ( 2000) с соавторами обращает внимание на роль элиминации вредных генов при получении гетерозиса у шелкопряда.

Возможно, что очистка от полулеталей и перевод в гомозиготу полезных генов в значительной мере формируют ККГ, дающий гетерозисный эффект. И могут оказаться преимущественно рецессивными. Нельзя не отметить и то, что большинство видов растений, для которых подтверждена эффективность использования метода В.А. Струнникова - горох, ячмень и пшеница являются самоопылителями.

Эффективность отбора на фоне депрессивного фактора в целом пропорциональна уровню его угнетающего влияния. Это проявляется как при сравнении линий, депрессированных одной и той же мутацией, так и при сравнении различных стрессовых факторов. Зависимость результативности отбора от величины депрессии в диапазоне выше 50 % имеет экспоненциальный вид. Вероятно, у пшеницы в качестве перспективных для формирования ККГ можно рекомендовать мутации с уровнем депрессии по зерновой продуктивности главного колоса не ниже 50-70 %.

1.9. Природа гетерозисисного эффекта

Использование гетерозисного эффекта в производстве позволило бы в короткие сроки поднять урожайность многих культур (Конареев В.Г., 1971).

Однако непонимание природы гетерозисного эффекта делает неэффективными как поиск гетерозисных комбинаций, так и попытки его закрепления в последующих поколениях.

Гетерозис был открыт 230 лет назад, но до сих пор его природа является предметом дискуссий. Так на международной конференции «Гетерозис у растений», которая проходила с 7 по 9 сентября 2009 в г.

Штутгарте, Германия, каждый второй доклад начинался с этой фразы.

До сих пор существует несколько теорий, объясняющих генетический базис гетерозиса:

1. Погашение действия вредных рецессивных генов, благоприятное сочетание неаллельных, полностью доминантных генов.

2. Благоприятное действие вообще всех типов аллелей в гетерозиготном состоянии.

3. Соответствие ядерного и цитоплазматического геномов.

Генетические гипотезы гетерозиса (доминирования, сверхдоминирования, генетического баланса) дополняют друг друга и не могут быть противопоставлены физиолого-биохимическим, поскольку последние находятся под контролем генетического аппарата. В основе рассмотренных гипотез лежит принцип комплементации генных комплексов и ферментных систем, что повышает активность узкого звена в системе и ускоряет физиологические процессы (Турбин Н.В., Конарев В.Г., Хотылева Л.В., 1982; Кирпичников B.C., 1974; Семенов О.Г. и др., 1997).

Анализируя опыт с хлопчатником и проростками кукурузы, А.А.

Жученко отмечает роль цитоплазмы материнского растения в детерминации устойчивости гибридов F1 к заморозкам и пониженным температурам, Дифференцированные реакции по зимостойкости проростков пшеницы и пырея, а также их гибридов обусловлены особенностями митохондрий.

Кроме того, отмечена корреляция между митохондриальным гетерозисом и урожайностью зерна у злаковых культур. Это доказывает, что митохондриальная активность ограничивает рост урожайности у инбредных линий и в то же время является биохимической основой гетерозиса (Жученко А.А.,1988 а, 1988 б). Эти и многие другие факты дают основание считать, что если истоки гетерозиса закладываются в генетических системах генома и плазмона клеток, то реализация его сопряжена, прежде всего, с регуляторными механизмами всех уровней генетических и морфологических процессов растения (Костышин С.С., 1984; Струнников В.А. и др., 1983). К ним относятся геномно – плазмонные и другие взаимодействия (Палилова А.Н., 1982; Палилова А.Н., Силкова Т.А., 1998) Одним из возможных механизмов гетерозиса растений является гетерогенность генома органелл и высокая митохондриальная активность. Роль межгеномных взаимодействий, обусловливающих клеточный метаболизм, рост и развитие растений, находит подтверждение в некоторых аспектах биосинтеза основных энзимов органелл, регулируемого как ядерным, так и митохондриальным геномами (Христолюбова Н.Б., 1974; Жученко А.А., 2001). Ядерно-цитоплазматические взаимодействия носят специфический характер и зависят от типа скрещивания, т.е. от генетических особенностей цитоплазмы и сортаопылители. Обобщенные результаты изучения конкурсного гетерозиса восьми гибридных комбинаций на двух типах цитоплазмы с участием четырех сортов-опылителей различного происхождения показали, что цитоплазма Ae. ovata оказала большее влияние на высоту растений, тогда как цитоплазма S. cereale больше влияла на такие показатели, как масса зерна с растения и масса 1000 зерен (Семенов О.Г. и др., 2003).

Экспериментальные данные, получаемые для подтверждения той или иной теории, носят противоречивый характер. Так, Ксиао (Xiao J.H et al., 1995) в 1995 году изучая взаимодействие количественных локусов в скрещивании между подвидами риса, пришел к выводу, что доминантные эффекты играют решающую роль в проявлении гетерозиса. Юу в 1997 году анализируя генетические компоненты в гибридной популяции второго и третьего поколений высоко гетерозисного гибрида, обнаружил большое число дигенных взаимодействий между локусами и предположил, что эпистаз играет важную роль в проявлении гетерозисного эффекта (Yu S.B et al., 1997). Однако, в приведенных выше исследованиях, о величине гетерозиса судили по значению признаков, характеризующих продуктивность образца.

В последние годы было проведено огромное число экспериментов для уточнения полученных данных с применением молекулярных маркеров. В одном из них для исследования использовали высокогетерозисный гибрид между сортами Тайчунг и Лемонт, а также беккроссные популяции, полученные от скрещивания этих сортов с 254 рекомбинантными инбредными линиями (РИЛ) этого гибрида и 2 тестерами (Zhao M.F. et al., 1999). Данные по полиморфизму длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ) 179 маркеров были получены при исследовании родительских линий и всех РИЛ. Была построена карта, охватывающая 1918,7 сМ (сантиморганид) и покрывающая все 12 хромосом. Было идентифицировано девятнадцать эпистатических локусов.

На основании полученных данных сделаны следующие выводы:

1. Большинство QTL, связанных с гетерозисным эффектом взаимодействуют.

2. Один из наиболее распространенных эпистатических эффектов сверхдоминирование.

3. В подавляющем большинстве межгенных взаимодействий был отмечен доминантный эпистаз.

4. Сверх доминирование и эпистаз - генетический базис гетерозиса.

В аналогичном исследовании проведенном Д.П. в 2002-2003 Xуа годах на гибриде Shanyou 63 и его родительских формах Zhen shan 97, Minghui 63, а также 240 линиях РИЛ полученных от этого скрещивания было установлено (Hua J.P.

et al., 2002):

1. Гетерозиготность не обеспечивает проявление гетерозиса, но может определить преимущество над гомозиготными формами по отдельным признакам.

2. Все виды генетических эффектов вносят вклад в проявление гетерозиса (частичное, полное или сверхдоминирование) как на внутрилокусном уровне, так и при взаимодействии различных локусов.

3. В проявлении гетерозиса важную роль играют аддитивные эффекты генов.

То есть и данные, полученные с помощью молекулярного маркирования, достаточно противоречивы. До сих пор делаются попытки найти подтверждение теории о преимуществах гетерозигот перед гомозиготными особями, однако однозначного ответа не получено (Vera 2009). Во многих работах рассматриваются взаимодействия Kiihr et al., между QTL определяющими гетерозис. Из изученных 13 999 генов гетерозисных гибридов кукурузы сверхэкспрессия была характерна для 15,3%. Только 8,7% генов показывали экспрессию более, чем в два раза превышающую таковую у родительских форм. Анализ функций генов с повышенной экспрессией показал, что в основном это гены, вовлеченные в регуляцию транскрипции, инициацию репликации, синтез белка и РНК, С:N метаболизм, гормональную регуляцию, митохондриальную активность, устойчивость к стрессам, скорость деления клеток (Meitzel T. et al., 2009). В работах ученных из Китая и Израиля приведены данные о моногенном гетерозисе, обусловленном переносом генов повышающих продуктивность культивируемых сортов от диких родственников (Dani Zamir et al., 2009). Увеличение продуктивности также может быть достигнуто при получении двойного гибрида, который имеет 4 различных аллеля гена в каждом локусе. Этот феномен назван прогрессивным гетерозисом. В какойто мере получение фертильных аллополиплоидов можно считать закреплением гетерозисного эффекта, но в этом случае очень трудно разделить эффекты гетерозиса и полиплоидии (Abel S., Becker H., 2009).

Анализ работ по природе гетерозиса показывает, что она у растений одна. По всем культурам есть сообщения, как о межаллельных, так и о межгенных взаимодействиях определяющих гетерозисный эффект.

Понятно, что в большинстве случаев работают скоординированные комплексы генов, моногенный гетерозис также возможен, хотя и в этом случае ген может быть регуляторным (например, мощным энхансером) определяющим эффективную работу целого комплекса генов. Споры о природе гетерозиса продолжаются несмотря на то, что В.А. Струнниковым в 1999 году предложена теория которая не только позволяет объяснить природу гетерозиса, но и ответить на основные вопросы гетерозисной селекции: как создаются комплексы генов обеспечивающие проявление гетерозисного эффекта, и как можно «закрепить» гетерозисный эффект в последующих поколениях (Струнников В.А., Струнникова Л.В., 2000). По Струнникову гетерозисный эффект проявляется вследствие наследования от родителей скоординированного компенсационного комплекса благоприятных генов, возникающего в результате отбора на фоне действия вредных генетических и экологических факторов. Эта гипотеза позволяет объединить все предложенные ранее теории. Нет принципиальной разницы между гетерозисным гибридом и высокопродуктивным сортом. И в том, и в другом случаях работают те же генетические механизмы, использование гетерозисного эффекта лишь позволяет более эффективно находить сформированные природой генные комплексы.

Согласно теории природы гетерозиса В.А.

Струнникова он возникает в результате двух главных причин:

Первая - интеграция в генотипе гибрида большого количества 1.

скоординированных в своем действии благоприятных генов, контролирующих жизнеспособность.

–  –  –

Следовательно, для «закрепления гетерозисного эффекта» или другими словами сохранения комплекса генов его определяющих в последующих поколениях необходимо очистить генотип исходного гибрида от леталей и полулеталей и в тоже время сохранить аллели повышающие жизнеспособность и продуктивность. Для этого он же предложил использовать создание гомозиготных особей на основе генотипа гетерозисного гибрида (Струнников В.А., Струнникова Л.В., 2000).

Для получения гомозиготных особей (дигаплоидных линий) у растений используют культуру пыльников. Получение дигаплоидных линий через культуру пыльников связано с очень значительными трудностями, так как требуется специфическая предварительная обработка материала, подбор соответствующих сред, и т д. Но даже при соблюдении всех оптимальных условий выход дигаплоидных линий в большинстве случаев не превышает 0,5 % от посаженных на среду пыльников. Различия по количеству получаемых растений в культуре пыльников обусловлены генетически. И хотя у многих культур локализованы гены, повышающие отзывчивость генотипов на культуру пыльников, столь низкую выживаемость растений нельзя объяснить наличием небольшого количества генов ее определяющих.

На жизнеспособность генотипа в культуре пыльников влияет весь комплекс генов. Генотипы с комплексом генов, повышающих общую жизнеспособность организма и устойчивость к стрессам (каким и является культура пыльников), имеют значительные преимущества при культивировании. Пыльца растений содержит гаплоидный набор хромосом, но при культивировании пыльников иногда происходит спонтанное удвоение числа хромосом и появление гомозиготных организмов (дигаплоидных линий).

Гетерозис возникает при гибридизации особей, в генотипах которых сформировались комплексы генов, повышающих жизнеспособность. Такие комплексы генов формируются у родительских форм в противовес наличию леталей и полулеталей в генотипе. Следовательно, гетерозисный гибрид должен нести гены снижающие жизнеспособность. Удалить эти гены из генотипа гибрида можно за счет рекомбинации. Сам процесс мы контролировать не можем, но в условиях стресса (в нашем случае культуры пыльников) выживает только та часть потомства гибрида, которая унаследовала от него большую часть благоприятных генов. Так как гомозиготные организмы, в генотипе которых содержится много леталей, полулеталей и субвиталей в подавляющем большинстве погибают на ранних стадиях развития. Выживают только те особи, которым в результате мейоза не досталось, или досталось очень мало «вредных» генов. В случае выживания таких особей их легко удалить из популяции за счет низкой жизнеспособности или продуктивности.

1.10. Использование гетерозиса межподвидовых гибридов в

–  –  –

Повысить урожайность риса на данном этапе методами традиционной селекции не представляется возможным, так как во всем мире отмечено снижение эффективности селекционной работы. Потенциал продуктивности новых сортов, несмотря на увеличение устойчивости к стрессам и повышение качества, остается на уровне сортов созданных еще в 1960-е годы (Щиловский В.Н., 2001; Ковалев В.С., 2011; Зеленский Г.Л., Зеленский А.Г., 2011). Только использование гетерозисного эффекта дает возможность радикально, более чем на 50 %, поднять продуктивность. На территории Российской Федерации в основном используются сорта риса подвида Изучение с помощью различных методов показало их japonica.

близкородственное происхождение (Апрод А.И., Колесников Ф.А., 1971).

Низкая генетическая гетерогенность сортов подвида japonica приводит к незначительному гетерозису при их гибридизации (Дзюба В.А., Сингильдин Г.А. 1981; Goncharova, Goncharov, 2001, 2002). Во многих работах показано снижение гетерозисного эффекта в ряду гибридов: japonica/indica, indica/indica, japonica/japonica (Yuan, 1987). У межподвидовых гибридов (japonica/ indica) гетерозисный эффект может достигать 100% и выше. Так, по сухой массе побегов гетерозис достигает 100 % у гибридов japonica/indica, не превышает 70 % и 50 % у гибридов indica/indica, japonica/japonica, соответственно (Wang et al., 1992). Количество колосков на растение у межподвидовых гибридов может достигать 3200, а у внутривидовых - только 2200 (indica/indica) и 1800 (japonica/japonica).

Однако, на пути внедрения межподвидовых гибридов риса в производство стоит серьезная проблема:

низкая озерненность. Количество выполненных колосков межподвидовых гибридов не превышает 40%, у внутривидовых - она значительно выше - до 90 % indica /indica и до 92 % japonica/japonica (Zhang G., Lu X., 1996; Zhang et al., 1996; Костылев П.И., 1999).

1.11. Повышение продуктивности межподвидовых гибридов риса

Вследствии высокой пустозерности межподвидовые гибриды риса до сих пор промышленно не производятся. Также не получили значительного распространения гибриды подвида japonica (посевные площади гибридов подвида не превышают 5 %) из-за незначительного гетерозисного эффекта и распространения их в областях с неблагоприятными погодными условиями в период цветения, что затрудняет их семеноводство (Гончаров, Гончарова, 1991; Zhang G. Q., Lu Y. G., 1996). В тоже время, посевные площади под гибридами индийского подвида в Китае в 4 раза больше, по сравнению с таковыми, занимаемыми сортами того же подвида (Zhao et al., 1999; Yuan L.P., 1987).

Использовать сверхвысокий гетерозис межподвидовых гибридов все же можно, если применить гены широкой совместимости (WC), которые обеспечивают их озерненность более 70 % даже при межподвидовой гибридизации. Подвид japonica несет аллель S5J, indica - S5i, образцы с геном широкой совместимости - аллель S5n. (Ikehashi, Araki, 1986). Гетерозиготные формы S5J/S5i - стерильны, образцы, несущие гены широкой совместимости

- фертильны (S5J /S5n; S5i / S5n) (Ikehashi, Araki, 1984). Внедрение генов широкой совместимости в формы с высокой комбинационной способностью, позволит получить фертильные межподвидовые гибриды, с величиной гетерозиса до 100 % (Ikehashi, Wan, 1996; Chen et al., 2008; Xu Z. J. et all, 1996). Кроме того, межподвидовая гибридизация позволит расширить норму реакции создаваемого образца за счет использования генетического потенциала обоих подвидов и, следовательно, обеспечит большую стабильность получаемых урожаев риса, что важно в свете влияния изменяющихся климатических условий. Создание сортов на основе генотипа таких гибридов позволит получить новое поколение гибридов риса с более высокой урожайностью и устойчивостью к стрессам (лучшей устойчивостью к пирикуляриозу, высоким и низким температурам, засухе, засолению, затоплению и др.), с большей эффективностью использования минерального питания. Также попутно решается проблема повышения содержания амилозы (содержание ее выше 25 % обеспечивает получение рассыпчатых блюд). У сортов отечественной селекции ее содержание 16 - 20 %. У сортов подвида indica, которые планируется вовлечь в гибридизацию ее содержание 22-27% (Ляховкин, 1980, 1987; Гончарова и др., 2011). Гены, определяющие широкую совместимость, картированы определен список SSR маркеров, позволяющих осуществлять интрогрессию данных генов в перспективные сорта (Taneichi T. et all, 2005; Qiu S. Q. et all, 2005; Zhao Z. G. et all, 2007; Li D. et all, 2007).

Однако первый опыт создания образцов с широкой совместимостью показал наличие многих локусов ее определяющих, большинство линий, выделенных как доноры признака, несут несколько генов, снижающих стерильность гибридов. Уже локализовано более 30 (S1-S34) генов, определяющих широкую совместимость и гибридную стерильность.

Исследования показали, что данные локусы не восстанавливают фертильность при межвидовой гибридизации O. glaberrima/O. sativa (Гончарова, Гончаров, 2001; Heuer, Mizan, 2003).

Пыльцевая и колосковая фертильность контролируются разными генами.

Локус S5n является определяющим в формировании признака и отвечает за фертильность женских гамет (Wang G. et al., 2005; 2006). Однако наличие только одного гена S5n ведет к частичной стерильности гибрида.

Минорными эффектами на колосковую фертильность гибридов характеризуются локусы S-7, S-8 и S-9, идентифицированные Икехаши и Ван в 1996 г. (Ikehashi, Wan, 1996), в 1997-2000 гг. были локализованы другие гены, влияющие на озерненность межподвидовых гибридов риса также в 1, 2, 3, 8, 11 и 12 хромосомах (Zhang X. et al., 1998; Qiu et al., 2005; Taneichi et al., 2006). Была отмечена связь локуса S5n с таким морфологическим маркером, как фиолетовый апикулюс, что позволяет в какой-то мере контролировать включение гена в генотип последующих поколений при беккроссировании.

Расстояние между данными локусами 14,6 сМ, физическое расстояние между генами - 500 т.п.о. (тысяч пар оснований) (Zhang, 1998).

Ген S5n был картирован на шестой хромосоме между маркерами RM 253 и RM 2249, расстояние между ними 2,2 сМ. В аналогичном исследовании он был локализован с интервалом в 1,6 сМ от маркера WFPM3 и 0,8 сМ от WFPR1 физическое расстояние между маркерами 70 т.п.о. (Qing et al., 2005).

Позднее расстояние между маркерами было сокращено до 50 т.п.о., где ген S5n был локализован между маркерами J13 и J17 (ближайшие SSR-маркеры RM 27 - RM 5754), и, наконец, до 40 т.п.о. с использованием популяции изогенных линий 549 растений и 8000 растений гибридов первого поколения между этими линиями. Генетический анализ этого фрагмента показал наличие 5 открытых рамок считывания (Qiu et al., 2005). Этот регион можно назвать горячей точкой рекомбинации так как их частота, между маркерами достаточно высокая, что говорит о том, что он вносит вклад в быструю эволюцию и создание репродуктивного барьера у представителей вида Оryza sativa.

Первоначально символом S обозначали только гены, определяющие гибридную стерильность, обусловленную обортацией женских гамет при межподвидовой гибридизации, но в более поздних работах данным символом стали обозначать и гены, обусловливающие мужскую стерильность, которую определяли по изменению соотношения гамет в потомстве (Lui et al., 1992;

2004; Wang et al., 1998).

Локус S5 в генетическом плане наиболее изучен, но в последнее время появилось много работ, посвященных локализации минорных генов широкой совместимости. Так, в том же регионе, что и S5, между маркерами RM 253 и RM 276 локализован ген, вызывающий абортацию пыльцы f6. Ген S31 локализованный на 5 хромосоме и ограниченный маркерами RM 5579 и RM 13 (ближайший маркер RM 2488) на участке 54 т.п.о., вызывает частичную абортацию женских гамет на стадии митоза мегаcпоры. На пятой же хромосоме локализован другой ген, вызывающий абортацию мужских гамет f5 между маркерами RM 413 и RM 122 (Zhao Z. et al., 2007). Другой ген, определяющий широкую совместимость, S 9 локализован на хромосоме 4 между маркерами RM 5586 (RM 1359, RM 1155) и RM 5749 (Danting et al., 2007). Ген S 32 t локализован на хромосоме 2 и ограничен маркерами RM 12475 (ближайшие маркеры RM 12476, RM 279, RM 7581) и RM 236 (RM

211) на участке 64 т.п.о. 1,9 cM между маркерами, вызывает частичную абортацию женских гамет на стадии митоза мегаспоры. (Li R. et al., 2009).

Ген S-20n(t) локализованный на хромосоме 1 и ограниченный маркерами RM 581 (RM 8083) и RM292 (RM 8046) на расстоянии 0.2 cM и 1.5 cM соответственно, вызывает частичную абортацию женских гамет на стадии митоза мегаспоры (Wen J. et al., 1995). Ген S-33 локализован на хромосоме 3 и ограничен маркерами RM 15621 (RM 5626, RM 3513, RM 5488, RM 8208) и RM 15627 (RM 3350, RM 7097, RM 8277, RM 1350) расстояние между ближайшими маркерами 86 т.п.о., анализ показал наличие в этом регионе 10 открытых рамок считывания, ген вызывает пыльцевую стерильность гибридов. Ген S 34 локализованный на хромосоме 11 и ограничен маркерами RM 552 (RM 5704, RM 6894, RM 536) и RM 167 (RM 5599), вызывает абортацию мужских гамет (Sundaram et al., 2010).

Выявленные гены, в том числе, локусы количественных признаков (QTLs), определяющие гибридную стерильность, можно разделить на серии.

Первая - вызывает абортацию женских гамет (S5, S7, S8, S9, S10, S15, S16, S17, S18, S29, S30, S31 и S32), вторая – мужских, и в третью входят локусы, соединяющие в себе две эти функции (Wan J., Ikehashi H., 1995;

Sawamura N., Sano Y., 1996; Wan J. et all, 2011). На рисунке 3 показаны локализованные гены, в том числе, QTLs, контролирующие пыльцевую фертильность у межподвидовых гибридов indica/japonica (Zhuang C. et al., 1999; Su J., Liu Y., 2003; Ouyang et al., 2009).

Рисунок 3 - Локусы, определяющие гибридную стерильность и широкую совместимость гибридов indica-japonica www.scichina.com | csb.scichina.com www.springerlink.com. Темно-серым обозначены локусы, определяющие пыльцевую фертильность, светло-серым - стерильность женских гамет и стерильность гамет обоего пола. (Ouyang et al., 2009).

–  –  –

При другой форме репродуктивного барьера, при гибридизации O.

sativa и O. rufipogon, аллель гена S6a вызывает элиминацию как женских, так и мужских гамет в следующем поколении (Sano, 1992; Koide Y. et al., 2008).

Показана возможность замены хромосомного сегмента на локусы, определяющие фертильность образца при помощи маркерной селекции с использованием нескольких SSR-маркеров (RM 276, RM 455, RM 141, RM

185) для контроля включения в генотип образцов 4-х генов широкой совместимости (S5, S8, S7, S9 соответственно) (Heuer S., Mizan K., 2003;

Chen L. et al., 2011).

–  –  –

Выявленные доноры генов широкой совместимости это в большинстве случаев образцы (например Дулар, Нагина 22) из тропического региона несущие ряд признаков характерных для диких видов (осыпаемость, низкая продуктивность, склонность к полеганию, высокорослость и т.д.) Таблица 16 - Аллели, определяющие гибридную стерильность у сортов риса (Wan J., Ikehasshi H., 1995)

–  –  –

Сорта с генами широкой совместимости (WCVs) позволяют получить фертильные гибриды между различными подвидами риса. Они обеспечивают нормальную как пыльцевую, так и колосковую фертильность гибридов.

Однако они несут различные гены, определяющие озерненность гибрида, это показывает более низкая пыльцевая, чем колосковая фертильность некоторых гибридов сортов несущих гены широкой совместимости (Malik et al, 2003).

Одни гены влияют на стерильность женских гамет, другие - мужских, третьи - приводят к невозможности объединения мужских и женских гамет.

Примерами механизмов, приводящих к стерильности, могут стать не растрескивание пыльников, несинхронное созревание гамет, несоответствующий рост пыльцевых трубок (Liu H. et al., 2004; Song et al., 2005; Chen R. et al., 2007; Imamura T. et al., 2007).

Сорт Дулар признан как один из наиболее перспективных доноров генов широкой совместимости, так как несет несколько генов, ее определяющих:

S5, S7, S8 S9, S16, S17t, S31, S32 t, ga 11, ga14 (Wan, 1996; Lu, 2000).

Меньшее количество локусов WC несут Ketan Nangka (S5, S15, S17(t)) и N22 (S5, S7, S8, S15, S16). В печати есть сообщения о наличии генов широкой совместимости в современных сортах, в том числе и образцах отечественной селекции (Zhao Z. et al, 2006; Jing W. et al, 2007).

1.13. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica.

Развитие репродуктивных барьеров играет ключевую роль в эволюционной биологии поддерживая генетическую дивергенцию и сокращая обмен генами между различными популяциями. По видимому наличие таких барьеров сыграло основную роль в разделении подвидов риса japonica и indica (Ляховкин А.Г. 1987, 1980; Ting M., 2010). Сорта подвида японика растут в регионах с умеренным климатом, индийского распространены в тропических и субтропических регионах (Cheng K. S., 1993). Между подвидами существует ряд переходных форм как по признакам, детерминирующим фенотип, так и по физиологическим характеристикам, определяющим особенности развития и адаптации к стрессам (Oka H. I., 1988).

Существуют две гипотезы происхождения подвидов. Согласно первой японский подвид произошел из образцов индийского подвида при адаптации их к более северным регионам (Ting Y., 1957). Другая теория говорит о возможности параллельной доместификации подвидов, происходящих от различных диких родственников (Chang T. T., 1976).

Генетические различия между подвидами приводят к значительному гетерозису при их гибридизации, позволяют надеяться на возможность увеличения потенциала продуктивности культуры за счет межподвидовой гибридизации (Wang C.L. et all, 1992; Zhang Q et al., 1997). Исследования показали, что к дифференциации подвидов привела комбинация генетических событий включающая, как вставки и делеции, так и замены нуклеотидов. Наибольшее число таких различий между подвидами зафиксировано на 11 и 12 хромосомах (Yang G. P. et al., 1994; Garris A. J. et al., 2005 ; Mackill D. J.,1995).

Наряду с проведением интрогрессии генов широкой совместимости (WC) в перспективные сорта, мы провели их поиск среди коллекционных образцов риса. Однако уже на этапе анализа стерильности гибридов, на первый план вышла задача корректного отнесения образцов к подвидам, так как существующая в России ботаническая классификация риса на подвиды не позволила их корректно разделить (Трубилин И.Т. и др., 2000).

Для более точной дискриминации образцов предложено использовать несколько признаков: фенольную реакцию, длину опушения цветковых чешуй (или длину волосков апикулюса), чувствительность к низким температурам, хлорату калия, окраску листьев (таблица 18). При использовании вышеперечисленной комбинации признаков неправильная классификация образцов не превышает 0,5% (Cheng S. H. et al., 2001; Zhu Z F et al., 2002; Wang Y. et al., 2010 ).

Перечисленные в таблице 18 признаки расположены в порядке их применимости для дискриминации образцов, так устойчивость к хлорату калия позволяет более точно дифференцировать образцы на подвиды. Для сортов индийского подвида в большинстве случаев характерен позитивный ответ на фенольную реакцию (Morishima H., Oka H. I., 1981; Ouyang Y. D., et al., 2009).

Таблица 18 - Дифференцирующие подвиды риса indica и japonica признаки (Wang Y. et al., 2010 ).

–  –  –

Еще один вариант разделения образцов на подвиды предложен китайскими учеными. Они предлагают, кроме уже перечисленных, дополнить перечень признаков позволяющих достоверно разделить образцы риса на подвиды, признаком отношение числа больших сосудистых пучков к количеству малых в ножке метелки. Для образцов подвида indica этот индекс приблизительно равен единице, у japonica 0,5 (Xu Z. J. et al., 1996).

Хотя спектр вариации по каждому признаку для образцов подвидов перекрывается, наличие возможности их дифференциации говорит о значительных и разнонаправленных изменениях существующих между подвидами. Даже тест на стерильность гибридов не всегда дает возможность правильно классифицировать образцы. Так гибридизация образцов несущих некоторые гены характерные для диких и предковых форм с современными сортами также приводит к частичной стерильности гибридов (Cheng K S., 1993). В проведенном нами исследовании озерненность гибридов первого поколения в гибридных комбинациях, где родительские формы принадлежат различным эколого–географическим группам, в большинстве случаев приводила к высокой пустозерности гибрида.

Для исключения неправильного отнесения образца к подвиду indica в дальнейшем планируется проведение молекулярного маркирования и других исследований, подтверждающих возможное наличие генов широкой совместимости.

Предлагается использовать для дифференциации подвидов ряд (таблица

19) полиморфных для типичных образцов подвидов SSR маркеров, распределенных по всему геному. Образцы относят к тому подвиду, большее число характерных аллелей которого они несут (Zhang Q. et al., 1997).

–  –  –

1.14. Физиологический базис гетерозиса и наследование признаков его определяющих у гибридов риса Физиологический базис гетерозиса до сих пор дискутируется, но многие морфологические и физиологические признаки, ответственные за его проявление известны (Y u a n L.P., 2003).

Кроме генетических гипотез, объясняющих причину гетерозиса, существуют также физиолого-биохимические теории.

Со своей точки зрения они объясняют гетерозис более интенсивным биологическим обменом веществ в гибридных организмах, усиленным метаболизмом в результате биохимического обогащения зиготы (Балинт А., Ковач Г., 1961; Барановский П.М., Семенова Д.И., 1968; Шахбазов В.Г., 1974; Филатов Г.В., 1988).

На различных культурах показано высокое содержание физиологически активных, запасных веществ и нуклеиновых кислот в гибридных гетерозисных семенах. Для прорастающих семян гибридов отмечен повышенный обмен веществ, обусловливающий ускоренное образование белков, лучший рост и выживаемость организмов (Алпатьев А.В., Хренова В.В.,1976; Боос Г.В., Балдина В.И., 1990; Кильчевский А.В. и др., 1997; Турбин Н.В., Хотылева Л.B., 1961, Дзюба В.А., Молоков Л.Г.,1983;

Новоселова А.С. и др.,1982; Науменко Т.С., 2000; Йорданов М., 1987).

Отмечен гетерозис по активности фермента пероксидазы в семенах гибридов, свидетельствующий об интенсивных окислительновосстановительных процессах. Максимальный гетерозис в семенах достигал 63,3 %. В зависимости от направления скрещивания проявлялся гетерозис по содержанию в зародышах физиологически активной аскорбиновой кислоты, а также сумме аминокислот (Розыходжаев Х.Х., 1984).

Гибриды характеризуются повышенными значениями содержания фотосинтетических пигментов, интенсивности дыхательных процессов (выделение СО2). Отмечено также уменьшение ядерно-ядрышкового соотношения, свидетельствующее об усилении синтеза РНК-продуктов. При исследовании родительских сортов, а также прямых и обратных гибридов F1 показано, что гибриды превосходят по адаптивным показателям продуктивности родительские формы (Чудинова Ю.В., 2007а).

Количественное увеличение синтеза сахаров, органических кислот и аминокислот у гибридов способствует повышению продуктивности льна и позитивно влияет на состав микроорганизмов ризосферы (Чудинова Ю.В., 2008).

Низкое содержание АТФ (аденозинтрифосфата), низкая активность аденозиндифосфат глюкозо-пирофосфорилазы (АДФГФ) и крахмал синтетазы, причина недостаточной выполненности семян некоторых гибридов. Для гибридов с плохой выполненностью семян характерна более низкая скорость роста на начальных этапах, из-за невысокого содержания растворимых сахаров и крахмала. Обработка N6-бензил аденином в стадии начала выметывания значительно повышала выполненность зерен в метелках. Тогда как обработка циклогексимидом, оказывала противоположное действие (Yang J. et al., 1998; 2002).

Гетерозис по размерам ассимиляционной поверхности, увеличение интенсивности фотосинтеза у гибридов первого поколения по сравнению с инбредными линиями обнаружены на кукурузе, пшенице, овощных культурах, на хлопчатнике (Георгиев Х.P., Данаилов Ж.П., 1990; Имамалиев А.И., 1981; Насыров Ю.С. и др., 1972; Пивоваров В.Ф., Абрамов М.Х., 1996;

Пивоваров В.Ф., Добруцкая Е.Г., 1998).

Гетерозисные формы хлопчатника, как и гибриды многих злаков, кукурузы и др., вынуждены резко увеличивать фотосинтетический потенциал растений для того, чтобы обеспечить баланс между генетически заданным объемом вегетативной и репродуктивной массы и количеством ассимилятов для формирования этих органов. На ряде культур отмечено, что селекция почти не затронула качества самого фотосинтетического аппарата, а возрастание продуктивности растений базировалось, в основном, на изменении формы куста, площади листьев, увеличении числа плодоорганов (Насыров Ю.С., 1986; Новоселова A.C., Рубцов М.И., Писковацкий Ю.П, 1982; Филатов Г.В., Супонина С.Л., 1982), это приводит у существующих сортов к закладке большего числа плодоорганов (чем позволяют фотосинтетические возможности растения) и опадению части завязей (Рахманкулов С., 1976; Розыходжаев X., Максудов З.Ю., 1972).

Анализ данных, полученных при исследовании фотохимической активности хлоропластов гибридных и родительских форм, показал, что у гибридов они имеют высокую скорость фотофосфорилирования, и обладают повышенным по сравнению с родителями уровнем энергетического и восстановительного потенциала, так как у них выше активность обоих типов фотофосфорилирования (Юлдашев, Х., 1984) Для гетерозисных гибридов характерен не только повышенный фотосинтез, но и более экономичный тип дыхательных процессов. У межвидовых гибридов в периоды бутонизации и цветения баланс фотосинтеза/дыхания сдвинут в сторону накопления продуктов ассимиляции (Газиянц С.М., Набиев С., 1981).

Межвидовые гибриды показали высокий гетерозис по содержанию водорастворимых углеводов в листьях. Большая обеспеченность листьев подвижными углеводами (сахарозой) облегчает отток последних в плодоорганы, что стимулирует усиление фотосинтеза, поскольку затруднение оттока сахаров является ингибитором фотосинтетической активности. Таким образом, у гибридов наблюдался положительный баланс процессов ассимиляции над диссимиляцией, что приводило к повышенному накоплению органических веществ и большему набору плодоэлементов: более чем в 2 раза по сравнению с инбредными формами (Рахманкулов С., 1976; Кильчевский А.В., 1995).

Гибриды F1 характеризуются повышенной жизнеспособностью и силой роста растений, лучшей фертильностью и урожайностью, большей скороспелостью, качеством и однородностью плодов, а также приспособленностью к различным экологическим условиям (Жученко А.А., 2001; Пивоваров В. Ф. и др.,1995; 1997).

Йорданов М. (1987) отмечает, что более ценное качество гибридов F1 — быстрая адаптация к изменению условий окружающей среды. В последнее время, в связи с направлением селекции на создание сортов со стабильной урожайностью, гетерозис выступает в качестве метода адаптивной селекции (Пивоваров В. Ф., Арамов, 1996; Пивоваров В.Ф., Добруцкая Е.Г., 1998; Пивоваров В.Ф. и др., 1995).

Безусловно физиолого-биохимические концепции, так же как и генетические теории гетерозиса не дают всестороннего истолкования всем возможным его вариантам и многообразным проявлениям (гетерозис репродуктивный, соматический и адаптивный). Концепции о причинах, вызывающих гетерозис, хотя взаимно и дополняют друг друга, но на современном этапе пока еще его сущность во многом остается неразгаданной и требуются дальнейшие исследования.

Проявление гетерозиса у кукурузы отмечено уже на самых ранних этапах развития. Так более высокая экспрессия генов у гибридов кукурузы по сравнению с родительскими формами отмечена сразу после оплодотворения. На шестой день гибридный эмбрион уже превосходит по размерам не гибридные (B a o J. et al., 2005; M e y e r S. et al., 2004; M e y e r S. et al., 2007; M e y e r S., Scholten S., 2007). Более высокая экспрессия была характерна для 15,3 % генов из 13 999 исследуемых; 8,7 % генов в данном исследовании показывали экспрессию более чем в два раза превышающую таковую у родительских форм (S c h o l t e n S. et al., 2002).

Около 4 % генов (экспрессирующихся в корнях, листьях и метелках) имели различную экспрессию у гибридов риса по сравнению с родительскими формами (A k i t a S., 1988). Анализ функций генов с повышенной экспрессией показал, что в основном это гены, вовлеченные в регуляцию транскрипции, или инициацию репликации, синтез белка и РНК, деление клеток (A l t m a n n T. et al, 2009). Изучение размеров клеток гибридов и родительских форм показало отсутствие достоверных различий, следовательно, больший размер гибридных эмбрионов связан с более высокой скоростью деления клеток, то есть для гибридов характерна более высокая скорость роста (A k i t a S. et al, 1990).

При благоприятных условиях выращивания гетерозис связывают с большей биомассой, получаемой с единицы площади, и более высоким индексом урожая, чем у сортов традиционной селекции (Y a m a u c h i M., S., 1985). Так у арабидопсиса в четвертой хромосоме Yoshida локализован кластер из 23 генов доминирование, сверхдоминирование или аддитивное действие которых на различных фазах развития определяет гетерозис по (сухой массе побегов) биомассе (P e n g S. et al, 2003). Во многих работах гетерозисный эффект объясняется лучшей реутилизацией углеводов из стебля в зерно у гибридов в фазу налива зерна. Аналогичная закономерность установлена и для высокопродуктивных сортов риса. В странах с умеренным климатом его связывают с высокой скоростью роста и продуктивным кущением, приводящим к более раннему формированию большего индекса листовой поверхности (M e i t z e l T. et al, 2009). В одной из работ отмечено, что для гибридов, характерна меньшая удельная поверхностная плотность листа, и более тонкие листовые пластины (P a s c h o l d A. et al, 2009; Peng S., 2000).

Китайскими учеными отмечена лучшая отзывчивость на удобрения гетерозисных гибридов. Следовательно, гибриды лучше производить на среднем и высоком фоне минерального питания, где и урожай и гетерозис выше. Так при внесении более 120 кг на гектар азота при средней урожайности 6,5 т/га стандартный гетерозис составил 25,3 %, прибавка урожая 1,4 т/га. При внесении менее 120 кг на гектар азота при средней урожайности 5,2 т/га стандартный гетерозис составил всего 13 %, прибавка урожая 0,5 т/га. Больший экономический эффект от выращивания гибридов получают при высоких дозах азота (имеется в виду дозы до 180 кг на гектар).

Однако для получения одинакового урожая гибриды не требуют внесения большего количества удобрений. Хотя и эффект от их использования выше, и величина гетерозисного эффекта возрастает при оптимальных сроках и дозах внесения удобрений. Так применение азота в фазу цветения улучшало налив зерна, а дробное внесение (вместо только основного 100 кг/га, внесение 60 кг/га до посева и 40 кг/га в фазу середина кущения) увеличивало стандартный гетерозис на 11 %. Для сортов традиционной селекции достоверных различий зафиксировано не было. Снижение дозы азота с 200 до 125 кг/га снижало урожай зерна гибрида на 13 %, у сорта только на 5 % ( P e n g S. et al, 2003 ).

К аналогичным выводам пришли ученные разрабатывая технологию выращивания гибридов в нескольких климатических зонах Индии (в 2000 г. в 18 местностях, 2001г. - в 29 местностях). Испытания показали, что гибриды требуют не одинакового количества вносимого азота в разных местностях. Однако во всех случаях отзывчивость гибридов линейно возрастала до 150 кг/га, после чего эффективность внесения азота снижалась. Изучалось также взаимодействие азотных и калийных удобрений на постоянном фоне фосфорного питания.

Отзывчивость на внесение калия возрастает на среднем фоне азота (90 кг/га), но остается постоянной при высоком уровне азотного питания. Это указывает на важность внесения калийных удобрений на низких фонах азотных удобрений В большинстве областей гибриды показали повышенную отзывчивость на уровень минерального питания. Отмечена большая эффективность использования азота гибридами как на низком, так и на высоком фоне минерального питания. Высокая урожайность гибридов достигается за счет большей листовой поверхности, увеличенного содержания хлорофилла, числа колосков на метелку и продуктивных стеблей на площадь поверхности (Siddiq E.

A., 2012, Subbaiah S.V. et al., 2002). Максимальные преимущества гибридов над сортами по отзывчивости на уровень минерального питания отмечены на стадии созревания. Большинство гетерозисных гибридов показывают гетерозис над родительскими формами по продолжительности и величине потребления азота после цветения (P a s c h o l d A. et al, 2009).

Гетерозис проявляется уже на ранних фазах развития в виде повышенной скорости мобилизации и превращения запасных веществ, как правило, метаболические процессы протекают у гетерозисных гибридов с более высокой интенсивностью. Так у Vicia faba L из изученных 5500 локусов около 9 % показывали изменение экспрессии у гетерозисных гибридов, среди них гены вовлеченные в С:N метаболизм, гормональныю регуляцию, митохондриальную активность, устойчивость к стрессам, скорость деления клеток (Meitzel T. et al, 2009). Быстрое развитие корневой системы гибридов обеспечивает их преимущество перед сортами по интенсивности поглощения минеральных веществ, скорости формирования фотосинтетического аппарата. Гетерозисные гибриды кукурузы, как правило, имеют большее число, длину, разветвленность зародышевых корешков (Kabaki N., 1993). Литературные данные показывают тесную взаимосвязь морфологических признаков характеризующих длину и массу корней и стеблей, эффективность фотосинтеза и использования удобрений с продуктивностью растений ( Гостимский С.А. и др., 1992). Низкое содержание АТФ (аденозинтрифосфата), активность аденозиндифосфат глюкозо-пирофосфорилазы (АДФГФ) и крахмал синтетазы, причина недостаточной выполненности семян некоторых гибридов. Для гибридов с плохой выполненностью семян характерна более низкая скорость роста на начальных этапах, из-за невысокого содержанием растворимых сахаров и крахмала. Обработка N6-бензил аденином в стадии начала выметывания значительно повышала выполненность метелок. Тогда как обработка циклогексимидом, оказывала противоположное действие (Yang J.et al., 2002).

Гибриды риса также обладают большей солеустойчивостью, что подтверждается исследованиями египетских и индийских ученых, которые показали повышение гетерозиса до 20 - 30 % на засоленных почвах по сравнению с контролем, на котором величина гетерозиса у изучаемых гибридов не превышала 15-20 % (Bastawisi A.O. et al., 2002). В гибридах F1 возможно объединение комплекса генов, определяющих устойчивость к основным заболеваниям. Незаменимы они и при получении форм устойчивых к холоду, жаре, засухе, нарушению режимов питания и гербицидам.

На трех гибридных популяциях, полученных на основе супер гибрида Xieyou 9308, показаны значительные корреляции между большинством признаков растения, характеризующими морфотип и физиологическое состояние надземной части растения риса, с таковыми, характеризующими состояние корневой или подземной части растения. Значительны также положительные корреляции между шестью признаками, характеризующими состояние корней. Наиболее важным признаком характеризующим состояние корневой системы был признак максимальная длина корней. Исследование характеристик корневой системы включены в программы по селекции гибридного риса (Shihua C., 2012).

Признано, что дальнейшее увеличение потенциала продуктивности гибридов связано с совершенствованием морфотипа в сторону повышения эффективности фотосинтеза (Imaizumi 1990). Причем N. et al., совершенствоваться должны как подземная, так и надземная части растения.

Для обеспечения эффективности пирамидирования генов, определяющих морфотип, продуктивность, качество и адаптивность к биотическим и абиотическим стрессам создаются базы данных о полиморфизме родительских форм гибридов по ДНК маркерам, связанным с признаками их определяющими (таблица 20).

Гетерозис не представляет собой особого в генетическом отношении события, а является лишь высшей ступенью жизнеспособности. Наиболее высокая жизнеспособность свойственна гибридам с мощным адаптивным гетерозисом, у которых благодаря достаточно полной реализации генотипа, уменьшается вариация индивидуумов по количественным признакам, и повышаются средние показатели в целом по каждому гибриду (Струнников В.А., Струнникова Л.В., 2000).

То есть для проявления гетерозисного эффекта гибрид должен нести не только гены повышающие продуктивность, но и комплекс факторов увеличивающих устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам, эффективность фотосинтеза, скорость роста.

Для успешного создания гетерозисных гибридов необходимо комплексное изучение селекционного материала. Выделение доноров и источников эффективной работы генетических систем определяющих адаптивность и продуктивность родительских форм создаваемых гибридов, изучение наследования признаков их определяющих, что обеспечит возможность прогноза величины признака у гибрида при обьединении в генотипе гибрида наиболее эффективно работающих аллелей.

–  –  –

1.15. Возможность повышения урожайности риса за счет изменения фотосинтетического потенциала агрофитоценоза На данном этапе селекции рассматриваются два основных пути повышения продуктивности риса: увеличение фотосинтетических показателей отдельного листа и использование эффекта гетерозиса. Эти направления селекции позволяют увеличить урожайность культур соответственно на 20 % - 50 % (Yuan L.P., 2002; Peng S., 2000; Yamauchi M., Yoshida S., 1985).

Как минимум, 90 % биомассы высших растений накапливается за счет фотосинтетической ассимиляции СО2 (Yuan L.P. 2002), следовательно, роль фотосинтеза в увеличении биомассы несомненна. Сильная корреляционная взаимосвязь между фотосинтетическим потенциалом агрофитоценоза, биомассой продукции и урожаем зерна отмечена во многих работах (Абдуллаев Х.А., Каримов Х.Х., 2001; Носов А.К., 1957; Dawe D., 2000;

Гетерозис по признакам, определяющим Kinoshita T., 1984).

фотосинтетический потенциал, характерная черта гибридов различных культур. Для гетерозисных гибридов установлено повышенное содержание пигментов, более продолжительная работа листовой поверхности. Так, даже по содержанию хлорофилла можно судить не только о степени развития фотосинтетического аппарата растений, но и о их физиологическом состоянии, ассимиляционной деятельности, вкладе ассимилирующих органов растения в формирование продуктивности, и о потенциальной возможности его формировать и накапливать урожай (Авакян Э.Р., Джамирзе Р.Р., 2006;

Гончарова Ю.К., Литвинова Е.В., 2009, Лайск А.Х., 1983; Порохня А.Д., Волкова Н.П., 1975; Скаженник М.А. и др., 2006; Чумак Л.Н., 1981;

Шеуджен А.Х., Алшин Н.Е.,1996).

Работы, посвященные видовым и сортовым отличиям в качественном и количественном содержании пигментов, формированию листовой поверхности растений сортов различной скороспелости, продолжительности жизнедеятельности листьев, фотосинтетически активной радиации в зависимости от архитектоники сорта и густоты стояния риса интенсивно велись во ВНИИ риса в 1970-80-е годы (Алешин Е.П., Шеуджен А.Х.,1988; Волкова И.П., 1974; Воробьев Н.В. и др., 1989;

Воробьев Н.В., Скаженник М.А., 1987; Пинхасов Ю.И., 1978; Порохня А.Д., 1978; Скаженник М.А. и др., 2006; Скаженник М.А. и др., 2006, а).

Многие авторы указывают на изменение содержания пигментов листьев в онтогенезе растений при воздействии стрессовых факторов, а также на варьирование фотосинтетической продуктивности различных сортов риса в связи с обеспеченностью микро- и макроэлементами (Носов А.К., 1957; Порохня А.Д., Волкова Н.П., 1975; Сео С. В., Oта Я., 1982;

Тарчевский И.А., Андрианова Ю.Е., 1980; Тур Н.С и др., 1980; Шеуджен А.Х. и др., 2006). Однако исследования в большинстве случаев проводили на небольшом количестве сортов риса, генетика признаков не изучалась.

В последнее время одним из наиболее перспективных направлений селекции на повышение продуктивности риса признано создание сортов с высокими показателями фотосинтетической деятельности отдельного листа, в связи с этим особую актуальность приобрели исследования в этой области (Kinoshita T. 1984 a; Pend S., 2000, Ying J. et al.,1998).

Попытки связать высокую продуктивность и фотосинтетический потенциал делались уже довольно давно, однако полученные данные были достаточно противоречивы. Так, в 1960-1970 годах интенсивно изучался фотосинтез отдельного листа. Эти исследования не внесли значительного вклада в увеличение урожайности культуры из-за низкой корреляции фотосинтетических показателей отдельного листа с продуктивностью агрофитоценоза при существующем в то время морфотипе растений (Nelson C.J., 1988). Изучение сортовых различий по величине фотосинтеза на единицу площади листа и продуктивности коллекционных образцов в то время показало, что основной вклад в различия по продуктивности между сортами вносит площадь поверхности листьев (70 %). На долю различий по фотосинтетическому потенциалу отдельного листа приходилось только 30 % межсортовых различий. Селекционерами был сделан вывод о необходимости увеличения площади поверхности листьев для более эффективного поглощения энергии света, что приводило к затенению листьев нижнего яруса, а фотосинтетическая продуктивность посевов оставалась неизменной.

Прямая селекция на повышение фотосинтетической деятельности отдельного листа, без учета других показателей, во многих случаях приводит к уменьшению продуктивности ( He, R.F. и др., 2000).

Фотосинтетический потенциал агрофитоценоза зависит от нескольких факторов: архитектоники листовой поверхности, фотосинтетической деятельности отдельного листа, индекса листовой поверхности.

Для зерновых культур характерно повышение урожайности при увеличении индекса урожая, что достигается за счет изменении морфотипа растений и архитектоники стеблестоя (Chuong, P. V., Omura T., 1982; Cook M.G., Evans L.T., 1983). Так отмечено, что у скороспелых сортов пшеницы урожайность растет за счет более высокого уборочного индекса, а у среднеспелых и среднепоздних – за счет увеличения общей биологической урожайности (Беспалова Л.А., 2011). Повышение потенциала урожайности у новых российских сортов риса также достигнуто за счет увеличения фотосинтетического потенциала (хорошая облиственность побегов и продолжительный вегетационный период), обеспечивающего накопление большей биомассы, и сохранение уборочного индекса (Ковалев В.С., 2011).

Современные высокоурожайные сорта риса подвида japonica в тропиках при орошении имеют потенциал продуктивности 10 т/га, при индексе урожая 0,5. Дальнейшее повышение урожая посредством изменения индекса урожая для большинства культур достаточно сложно, но может быть достигнуто за счет увеличения биомассы продукции. Это утверждение подтверждается тем фактом, что урожай в 15,2 т/га получен в субтропических условиях провинции Юнань (Китай), при индексе урожая 0,47 (Yuan L.P., 2002). Дальнейшее увеличение биомассы продукции может быть достигнуто за счет повышения плотности посева.

Направлением селекции на увеличение фотосинтетического потенциала агрофитоценоза стала также программа Super Rice, направленная на создание растений адаптированных к более плотному посеву за счет меньшего угла наклона листьев, а, следовательно, и затенения листьев нижних ярусов. Программы по созданию подобных сортов были приняты в Японии в 1981 г., в Международном институте риса (IRRI) в 1989 г., позднее и в других странах (Кильчевский А.В, Хотылева Л.В., 1997;

Khush G.S., 2000).

Направление селекции последних лет на сокращение площади листовой поверхности, а также на создание растений с новым морфотипом (узкие, короткие, эректоидные листовые пластинки), значительно увеличило долю влияния фотосинтетических показателей отдельного листа на продуктивность риса. Повысились требования к величине фотосинтетического потенциала вновь создаваемых сортов (Peng S., 2000;

Зеленский Г.Л., Зеленский А.Г., 2011).

Повышение продуктивности риса посредством улучшения архитектоники растений во многих странах проблематично, так как посевы большинства высокоурожайных сортов риса близки к оптимальной архитектонике стеблестоя (Austin R.B. et al., 1980). На этом этапе только увеличение фотосинтетической активности отдельного листа может повысить потенциал продуктивности культуры. Только после успешного отбора образцов с улучшенными характеристиками, селекция растений с новым морфотипом может быть эффективной. В связи с этим оценка фотосинтетических функций и структур должна стать неотъемлемой частью изучения продуктивности селекционного материала.

1.15.1. Вариабельность фотосинтетической активности междувидами и подвидами риса

Различия фотосинтетических показателей между видами и подвидами риса существенны уже на стадии проростка (размах вариации 30,9 %). Однако различия по величине фотосинтеза флагового листа выше (размах вариации 51,4 %) (таблица 21) и достоверно коррелируют с продуктивностью (Dawe D., 2000; Dobermann A., 2000).

–  –  –

Максимальные значения фотосинтеза установлены для проростков гибридов между подвидами indica и japonica, для этих же образцов характерны и высокие показатели фотосинтеза флагового листа. Для всех изученных образцов характерна большая скорость фотосинтеза на стадии проростка. Интенсивность фотосинтеза сортов подвида japonica выше, чем у таковых indica на стадии проростка, но в фазу выметывания эти различия нивелируются. У современных сортов подвида indica отмечается даже более высокая интенсивность фотосинтеза. Сорта подвида javanica уступают по интенсивности фотосинтеза ранее перечисленным подвидам. Наиболее интенсивный фотосинтез в фазу выметывания характерен для тайваньских сортов.

Существенные различия по фотосинтетической активности между сортами риса отмечены во многих работах (Шеуджен А.Х., 1985; Шеуджен А.Х., Алшин Н.Е.,1996; Шеуджен А.Х. и др., 2006; Шеуджен А.Х. и др., 2007; Гуляев Б.И.,1989; Скаженник М.А., 2006 а; 2001; Гончарова Ю.К., Иванов А.Н., 2006; Гончарова Ю.К., Литвинова Е.В., 2009). Интенсивность фотосинтеза сортов риса в зависимости от скорости потока СО2 в мезофилле листа и его фиксации в центрах карбоксилирования, варьирует от 12 до 62 мг СО2/ дм 2 ч. Общее содержание хлорофилла при изучении 26 сортов варьировало от 1,44 до 3,37 мг/г листа, хлорофилла а от 0,99 до 2,26 мг/г, хлорофилла в от 0,41 до 1,14 мг/г. Фотосинтез не на всех фазах развития вносит одинаковый вклад в формирование высокой продуктивности. Н.

Сазаки, изучая вариабельность фотосинтетических признаков на различных стадиях развития, установил, что максимальные различия отмечены у растений при созревании (Sasahava T. et al., 1989).

1.15.2. Роль фотосинтетической активности соцветия в формировании урожая

Увеличение листовой поверхности резко ухудшает световые условия фотосинтеза. С таким утверждением можно согласиться лишь частично, т.к.

каждый ярус листьев отвечает за определенную фазу роста и развития. Как отмечено выше, решающая роль в наливе зерна риса принадлежит двум верхним листьям (Литвинова Е.В., Гончарова Ю.К., 2009). Кроме того, форма листовых пластинок играет существенную роль в затенении (Зеленский Г.Л.

и др. 2006; Зеленский А.Г., 2006). Установлено, что фотосинтетическая способность желобчатых листьев на проектируемую листовую поверхность значительно выше, чем прямых ( Omura T., Chuong P. V., 1979; Зеленский Г.Л., Зеленский А.Г., 2006).

Отмечено, что высокая начальная энергия роста листьев, обеспечивает интенсивное образование плодовых органов, установлена тесная связь озерненности метелки проса с мощностью ассимиляционного аппарата, функционирующего в период формирования зачаточной метелки ( r= 0,684).

Чешуи играют важную роль в процессе развития зерновки как фонд для передвижения питательных веществ, включая углеводы (Синетова М. П.

и др, 2006). После цветения у стерильных колосков углеводы перемещаются только в чешуи, масса которых резко возрастает. У фертильных колосков с начала образования зерновки углеводы накапливаются в чешуях и в зерне.

По мере созревания они превращаются в крахмал, который поступает в зерно. На развитие его оказывают влияние форма и физиологическая активность чешуи. О высокой фотосинтетической активности осевых органов растений говорят многие исследования (Кумаков В.А., 1985;

Насыров Ю.С. и др., 1977; Курбанбаев А.А., 1986; Машкина Е.В и др., 2006).

Установлена доля участия каждого органа в формировании урожая хлебных злаков. Фотосинтетнческая активность листовых пластинок у тритикале в 2 раза выше, чем у пшеницы, и в 8 раз, чем у ржи. Самый высокий фотосинтез соцветия имеет овес. Среднее участие этого органа в общем фотосинтезе растений составаяет: 12 % у пшеницы, 15 % у тритикале, 23 % у ржи, 29 % у ячменя, 41 % у овса (Насыров Ю.С., 1986). Образование урожая зерна происходит за счет ластовых пластинок на 40 %, соломины – 37 % и соцветия – 23 %. Измерение поверхности зеленых частей соцветия сорта Краснодарский 424 показало, что суммарно она составляет около 35 см 2.

Примерно такую же площадь имеет флаговый лист. Оси соцветия сохраняют фотосинтезирующую способность у некоторых сортов – до полного созревания (Васильчук Н.С. и др., 2000). В среднем вклад фотосинтетической деятельности метелки в урожай зерна оценивают в размере 20-30% (Гурская О.Л, 1981; Д р а г а в ц е в В.А. и др., 1994).

Фотосинтетическая активность соцветия играет важную роль в формировании урожая, в связи с тем, что оно происходит в течение длительного времени, когда наблюдается интенсивное старение листьев.

Существуют разные точки зрения по поводу позиции метелки по отношению к листьям верхнего яруса (Khush G.S., 2003; Khush G.S., 2000; Ying J. et al., 1998; P e n g S. et al., 2003; P e n g S., Ismail A., 2004). Cчитается, что расположение метелки над флаговым листом, способствует снижению фотосинтетического потенциала за счет затенения листьев. Однако не изучено влияние на величину фотосинтеза снижения концентрации CO2 за счет уменьшение вентиляции посевов, возможное повышение инфекционного фона, а также затенение самой метелки при расположении ее ниже флагового листа.

Установлена физиологическая и физическая разнокачественность семян расположенных в верхней, средней и нижней частях метелки. Масса зародышей из верхней части метелки была на 12 % и эндосперма на 13 % выше, чем из нижней, части. У зерновок верхних частей накапливается больше нуклеиновых кислот и фосфолипидов, с содержанием которых тесно связана сила роста семян. Все это говорит об отрицательной роли затенения внутри метелок и необходимости, создания растения риса с вертикальной развесистой метелкой, чешуи колосков которой при наливе зерна находились бы в условиях, благоприятных для фотосинтеза (Ляховкин А.Г., 1992).

В связи с общепринятым в последнее время направлением селекции короткостебельных сортов злаковых культур изменяется доля участия зеленых органов растений в формировании урожая зерна за счет продуктивного фотосинтеза (Махаринец С.Н., 1970).

Исследования показали, что за счет увеличения листовой поверхности можно достигнуть повышения урожайности только скороспелых сортов (Курбанбаев А.А., 1986).

–  –  –

Высокопродуктивные растения способны более длительное время сохранять фотосинтетический потенциал. Отмечена взаимосвязь между высоким содержанием хлорофилла, и продолжительностью работы фотосинтетического аппарата. Кроме того, показаны различия по фотосинтетической активности между гибридами и сортами. Установлено, что повышенная концентрация хлорофилла в листьях гетерозисных гибридов кукурузы и риса обусловливает формирование более высокого урожая (Гончарова Ю.К., 2006; Гончарова Ю.К., Иванов А.Н., 2006; Гончарова Ю.К., Литвинова Е.В, 2009; Гуляев Б.И. и др., 1989; Ляховкин А. Г. 1987; A k i t a S., Сabuslay G.S., 1999; A k i t a S. et al., 1990; A l t m a n n T. et al., 2009;

Austin R.B., 1993).

В работах, посвященных физиологическому базису гетерозиса, отмечено, что гетерозисные гибриды, как правило, проявляют гетерозис по фотосинтетической активности листьев и иногда по чистой продуктивности фотосинтеза (Мeitzel T., Sheely I., 2000, 2000а; Мeitzel T. et al., 2009; P e n g S. et al., 2003; P a s c h o l d A. et al., 2009; Yuan L.P., 2002). Еще одним доказательством справедливости заключения, о связи гетерозиса с фотосинтетическим потенциалом, является то, что гетерозисные гибриды в большинстве случаев имеют повышенные показатели фотосинтеза во время налива зерна, а также большую продолжительность фотосинтеза листовой поверхности (Sasaki H. et al., 1986). Максимальные значения фотосинтеза установлены для проростков гибридов между подвидами indica и japonica (гибриды этих подвидов показывают в некоторых комбинациях гетерозис по продуктивности свыше ста процентов). Для этих же гибридов характерны и высокие показатели фотосинтеза флагового листа и максимальная удельная поверхностная площадь листа среди всех подвидов риса, а также сортов, как стародавних, так и новых. Справедливости ради необходимо отметить, что высокая продуктивность может обеспечиваться за счет самых различных механизмов (большая эффективность минерального питания, систем аттракции, митохондриальной активности, активности ферментативных систем и т.д.). Однако закономерность, характерная как для высокопродуктивных сортов, так и для гетерозисных гибридов, несмотря на столь широкие возможности увеличения урожайности посредством других механизмов, указывает на важнейшее значение для селекции растений улучшения фотосинтетических характеристик.

1.15.4 Перспективы повышения фотосинтетического потенциала культуры риса посредством создания растений с C4 типом фотосинтеза

–  –  –

несмотря на наличие некоторых признаков характерных для растений с С4 типом (Hirochika, H. et all, 2004; Iwata N.,1990; Takano Y., Tsunoda S., 1970). В связи с этим одним из направлений работы биотехнологов и селекционеров является создание растений риса с C4 типом фотосинтеза. Преимущества С4 типа фотосинтеза в условиях затопления дискутируются во многих работах (Evans J.R., 2000; Evans L.T., 1990; Furbank R.T. et al., 2009; Takano M et al., 1997). Основное преимущество С4 растений заключается в уменьшении фотодыхания при высоких температурах (при температурах выше 30 0С фотодыхание у С3 растений может превышать 30 %). Для риса установлено снижение температуры внутри посевов на несколько градусов за счет транспирации, что позволяет растениям менее значительно снижать эффективность фотосинтеза в полуденное время. Кроме того, содержание азота в листьях С3 растений на 20-30 % выше, что позволяет им мобилизовать больше ассимилятов на урожай зерна (Evans J.R., 2000; Sage R.F. et al., 2000; Sage R.F., 2000; Sheehy J.E., 2000).

Успешный перенос ключевого фермента С4 фотосинтеза фосфоенолпируват- карбоксилазы (РЕРС) из генома кукурузы в растения риса был произведен 1999 году (Zhang Yunhua, Jiao Demao, 2002). У полученных растений была отмечена более высокая фотосинтетическая активность даже по сравнению с кукурузой ( Takane M. et al., 1997). При сильном освещении фотохимическая эффективность фермента снижалась у трансгенных растений до 10,5 %, в то время как у не трансформированных до 45, 4 %.

Максимальная эффективность фотосинтеза не трансформированных растений отмечена при 30 С. С увеличением температуры данный показатель оставался стабильным до 35 0С, затем шло его резкое снижение.

Для трансгенных растений максимальная эффективность фотосинтеза достигалась только при 35 0С, после чего также отмечено его снижение, но значительно менее существенное, чем в первом варианте опыта. При 35 0С величина фотосинтеза была на 17, 5 % выше у трансгенных растений.

Однако до сих пор значительного повышение продуктивности растений с интрогрессированными генами, увеличивающими фотосинтетический потенциал, не получено (Paschold A. et al., 2009) Причиной неудачи при интрогрессии отдельных генов называют необходимость комплексного изменения как морфологических, так и биохимических признаков растений при переходе с С3 типа фотосинтеза к С4 версии (М e i t z e l T. et al., 2009; Lichtenthaler H.K., Wellbura A.R., 1983; Liu W.Z. et al., 2007).

Создание растений риса с C4 типом фотосинтеза позволит увеличить интенсивность фотосинтеза культуры на 20 %, а межсортовые и межподвидовые различия по активности и строению фотосинтетических систем у риса значительно выше и их потенциал до сих пор не реализован в полной мере (Evans L.T., 1990; Kinoshita T.,1984 a; 1984 b; Mitchell P.l., Sheely J. E., 2000; Nagamatsu T., Omura T., 1962; Qiushi Wang et al., 2009; Sage R.F., 2000; Taylor W.C., 2000; Ying J. et al., 1998).

1.15.5. Наследование признаков, определяющих эффективность фотосинтеза Отмечена высокая наследуемость признаков определяющих фотосинтетическую активность листьев 0,6-0,9 для видов рода Nicotiana, подобные значения характерны и для других изученных видов и родов, что говорит о возможности результативного отбора по данным признакам (Авратовщукова Н.А.,1980; P a s c h o l d A. et al., 2009; P e n g S., 1998).

Для риса показана передача хлоропластов по материнской линии, однако отмечено, что хлорофилльные мутации контролируются ядерными генами. Следовательно, для нормального функционирования хлоропластов необходимо взаимодействие обеих генетических систем. Установлено, что ядерная ДНК ответственна за формирование хлорофилл-белкового комплекса, а пластидная за образование необходимых структурных и активирующих белков, обе эти системы взаимодействуют при создании фотосинтетических систем в частности ламелл. Характер этого взаимодействия еще полностью не изучен, но уже сейчас ясно, что главную роль играет ядерная ДНК (Авратовщукова Н.А.,1980).

–  –  –

Мутантные проростки растений «ксанта» имеют недостаточно хлорофилла, но содержат каротеноиды. Некоторые образцы с этим типом мутаций при выращивании при высокой температуре способны синтезировать хлорофилл в листьях и имеют светло зеленую окраску, но в обычных условиях хорошо отличимы по фенотипу на стадии проростка по беловато желтому цвету растений, но большинство из них также летальны и погибают на стадии проростка (Sasahava T. et al, 1989 ). Мутанты обоих типов фенотипически сходны, тем более что существует множество переходных форм (Takahashi M., Kinoshita T., 1968; Takane M. et al, 1997 ).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
Похожие работы:

«19 марта 1997 года N 60-ФЗ ВОЗДУШНЫЙ КОДЕКС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Принят Государственной Думой 19 февраля 1997 года Одобрен Советом Федерации 5 марта 1997 года (в ред. Федеральных законов...»

«Министерство образования Российской Федерации Архангельский государственный технический университет ЗАЩИТА ЛЕСА ОТ ВРЕДИТЕЛЕЙ ЛЕСНАЯ ЭНТОМОЛОГИЯ Методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета #.2007 Архангельск 2003 Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией лесохозяйственного факул...»

«Еврейские гангстеры в Америке Газета Русская Реклама Автор: rusrek 03.11.2009 08:24 Бенджамин Сигел Багси, Артур Флегенгеймер Голландец Шульц, Мейер Лански Малыш, Макс Хофф Бу-Бу, Эбнер Цвиллман Лонги все они были гангстеры и евреи. Расцвет их деятельности пришелся на...»

«УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ 2016, Т. 158, кн. 1 ISSN 1815-6169 (Print) С. 160–167 ISSN 2500-218X (Online) ЛЮДИ НАУКИ ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ ПЕРЕВЕДЕНЦЕВ (к 75-летию со дня рождения) В.В....»

«На правах рукопис Яковлев Алексей Валерьевич РОЛЬ ЦИКЛИЧЕСКИХ НУКЛЕОТИДОВ В РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТОВ ОКСИДА АЗОТА (II) НА СЕКРЕЦИЮ МЕДИАТОРА И ИОННЫЕ ТОКИ ДВИГАТЕЛЬНОГО НЕРВНОГО ОКОНЧАНИЯ 03.00.13 физиология 03.00.02 биофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук КАЗАНЬ 2004 Рабо...»

«ПЛОТНИКОВА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА ИНДИКАЦИЯ ФАКТОРОВ ВИРУЛЕНТНОСТИ ЭНТЕРОБАКТЕРИЙ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА ЭШЕРИХИОЗА ПТИЦ Специальность: 06.02.02 – Ветеринарная микробиология, вирусология, эпизоотология, микол...»

«Министерство образования и науки РФ Иркутский государственный технический университет С.С.Тимофеева.,О.М.Кустов ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ И ПОЖАРНОЙ АВТОМАТИКИ Практические работы Издательство Иркутского государственного технического у...»

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ СПбГУ Общеобразовательный предмет БИОЛОГИЯ ОТБОРОЧНЫЙ ЭТАП 10 -11 класс Примеры вопросов, сгенерированные системой в случайном порядке В демонстрационной версии задания сгруппированы в три раздела, А, Б и В,...»

«ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ краткий курс лекций Лекция 1. ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ – НАУКА. Физиология растений наука об организации и координации 1.1. функциональных систем зеленого растения. Физиология растений – наука, которая изучает закономерности жизненны...»

«1 Цель и задачи освоения дисциплины Целью освоения дисциплины «Микробиология» является получение знаний по общей микробиологии (морфологии, физиологии, систематике и экологии микроорганизмов), представлений о распространении микроорганизмов...»

«КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ЗАДАНИЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИТОГОВОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО БИОЛОГИИ ПО ПРОГРАММАМ СРЕДНЕГО ОБЩЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Задание 1-10. За каждое правильно выполненное задание с множественным выбором выставляется 6 баллов, т.е. за каждую правильную цифру в бланке ставится...»

«РАЗДЕЛ Нервная система Продолжительность изучения раздела – 45 часов практических занятий Цель изучения содержания раздела – рассмотрение особенностей строения и функционирования нервной системы, и направлен на развитие компетенций способности и готовности анализиро...»

«ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ «ЛОМОНОСОВ» КОМПЛЕКС ПРЕДМЕТОВ «ЭКОЛОГИЯ» 2014-2015 учебный год ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП ЗАДАНИЯ ДЛЯ 10-11 КЛАССОВ ВАРИАНТ 1 БЛОК А 1. Наименее нарушенные экосистемы биосферных резерватов расположены:а) в зоне ядр...»

«Овчинникова С.И. и др. Основные тенденции изменения гидрохимических показателей. УДК [581.192.7 : 581.52] : [581.183 : 581.184.9] Основные тенденции изменения гидрохимических показателей водной экосистемы Кольского залива (20...»

«ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «БИОЛОГИЯ» «Волгоградский государственный медицинский университет»...»

«cenan`mhj` l2%,“*% C%“%K, * 3K.%-C%%L C!=*2,* “23.2% “C,=.%“2L &a,%%,[, «}*%%,» РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт биологии внутренних вод им. И. Д. Папанина Учебно-научный центр ГЕОБОТАНИКА Методическое пособие к учебно-полевой практике для студенто...»

«©ГрГУ им. Я. Купалы, ИЭБ НАН Б ЭКОЛОГО-ТАКСОНОМИЧЕСКАЯ И СОЗОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МОХОБРАЗНЫХ ФОРТИФИКАЦИЙ ГРОДНЕНСКОЙ КРЕПОСТИ А. А. САКОВИЧ, Г.Ф. РЫКОВСКИЙ A comprehensive analysis of mosses fortifications, enabling adaptability to identify species of mountain bryophytes in a plain, w...»

«МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ Я. Н. Демурин, Научно-технический доктор биологических наук бюллетень Т. М. Перетягина, Всероссийского научно-исследовательского младший научный сотрудник института масличных культур О. М. Борисенко, 2005, вып. 2 (133) младший научный сотрудник ВНИИ масличных культур Ф...»

«КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ Кафедра общей экологии Д.В. ТИШИН ДЕНДРОЭКОЛОГИЯ (МЕТОДИКА ДРЕВЕСНО-КОЛЬЦЕВОГО АНАЛИЗА) Учебно-методическое пособие Казань – 2015 УДК 630+581.54 Принято на заседании кафедры общей экологии Протокол No 5 от 20 ноября 2014г.Рецензенты: кандидат биологич...»

«Министерство сельского хозяйства Пензенской области Пензенский государственный технологический университет Развитие экологического производства в малом бизнесе как фактор повышения качества жизни Материалы научно-практической конференции 20 марта 2014 года Пенза ...»

«СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ УДК 632.951.2 ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНСЕКТИЦИДОВ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ДЛЯ ЗАЩИТЫ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ ОТ ЛУГОВОГО МОТЫЛЬКА (PYRAUSTA STICTICALIS L.) Александр Иванович Илларионов, доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и защиты растений Воронежский государственный агра...»

«Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада. 2012. Вып. 105 43 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕКОРАТИВНЫХ ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ В ОЗЕЛЕНЕНИИ АПШЕРОНА Т.С. ОГЛЫ МАМЕДОВ, доктор биологических наук; Ш.А. КЫЗЫ ГЮ...»

«Зуев Иван Владимирович ГОЛЬЯНЫ РОДА PHOXINUS (сем. CYPRINIDAE) БАССЕЙНОВ РЕК ЕНИСЕЯ И ПЯСИНЫ 03.00.08 – Зоология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Томск 2007 Работа выполнена на кафедре гидробиологии и ихтиологии Института естественных и гума...»

«Межрегиональная олимпиада школьников Будущие исследователи – будущее науки 2013/2014 Биология. Финал. 10-11 класс Тест состоит из 42 заданий. Задания рекомендуется выполнять по порядку, не пропуская ни одного, даже самого легкого. Если задание не...»

«Расписание занятий Время Наименование дисциплины ФИО преподавателя, должность Вторник 15 марта 2016г. Регистрация слушателей. Выдача тем для рефератов и заданий для самоподготовки «Обеспечение экологической безопасности руководителями и специалистами общехозяйственных систем управления» (72 часа) 08.30...»

«Труды БГУ 2012, том 7, часть 1 Обзоры УДК 577.21:631.52 ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ГЕНОМИКЕ РАСТЕНИЙ В БЕЛАРУСИ ГНУ «Институт генетики и цитологии НАН Беларуси», Минск, Республика Беларусь Кильчевский Александр Владимирович, доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, директор ГНУ «Институт ге...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Технологическая платформа «Технологии экологического развития»РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ: ПЕРСПЕКТИВЫ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ Под ре...»

«KZ9800544 КАЗАХСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. аль-Фараби ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ДЕПАРТАМЕНТ НЕФТИ И ГАЗА ИНСТИТУТ ГИДРОДИНАМИКИ СО РАН /...»

«Книжные выставки, стенды, газеты экологической тематики 21 марта – Международный день леса Хорошевская СБ Богородского района подготовила прекрасную выставку – инсталляцию «На лесной опушке леший и зверушки». Целая серия книжных выставок о природе и проблема...»









 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.