Генетические аспекты селекции короткостебельных гексаплоидных тритикале
Специальности: 03.00.15 - генетика, 06.01.05 - селекция и семеноводство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Куркиев Киштили Уллубиевич
Москва 2009
Диссертационная работа выполнена в Государственном научном учреждении - Дагестанская опытная станция Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова
Научный консультант: доктор биологических наук Темирбекова Сулухан Кудайбердиевна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, академик Россельхозакадемии Драгавцев Виктор Александрович
доктор сельскохозяйственных наук, член-корр. Россельхозакадемии Медведев Анатолий Михайлович
доктор биологических наук, доцент Соловьев Александр Александрович
Ведущая организация: ГНУ Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны РФ
Защита диссертации состоится « 9 » июня 2009 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д.220.043.10 в Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, Москва, Тимирязевская ул., 49. Факс: (495)-976-0894
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Автореферат разослан «__»_______2009 г. и размещен на сайте университета www.timacad.ru
Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук Е.А. Калашникова
гексаплоидный тритикале короткостебельность
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Тритикале - аллополиплоидная зерновая культура, полученная в результате объединения геномов пшеницы и ржи. На первом этапе работы с новым злаком первоочередной задачей было создание с использованием различных методов генетики и селекции исходного материала, обладающего широким генетическим разнообразием по ряду селекционно-ценных признаков; к настоящему времени эта задача успешно решается (Мережко, 2007; Грабовец, 2008). Убедительно доказано, что наибольшую ценность для практического использования представляют гексаплоидные тритикале (типичный геном AABBRR), поскольку они более стабильны и урожайнее по сравнению с тетра- и октоплоидными формами (Куркиев, 2000).
Созданные к настоящему времени коммерческие сорта гексаплоидных тритикале возделывают на значительных площадях, как в нашей стране, так и за рубежом. Подавляющее большинство этих сортов характеризуется относительно высокой соломиной, что обуславливает их склонность к полеганию в условиях интенсивного земледелия. Полегание приводит к резкому снижению фотосинтеза и других биохимических процессов из-за затенения, повышению поражаемости болезнями и травмированию на корню и при уборке; все это обуславливает уменьшение количества завязавшихся зерен в колосе, снижение массы 1000 семян, ухудшение технологических и семенных качеств. Потери зерна от полегания у культурных злаков в различных регионах страны колеблются от 20 до 50 %, а в отдельные годы доходят до 80 % (Дорофеев и др., 1987, Альдеров, 1991).
В этой связи задача изучения наследования и изменчивости высоты растений гексаплоидных тритикале весьма актуальна как с теоретической (частная генетика культуры и сравнительная генетика зерновых злаковых), так и с практической (поиск и создание доноров хозяйственно-ценного признака) точек зрения.
У родительских для тритикале родов Triticum L. (особенно T. aestivum и T. durum) и Secale L. генетика высоты растений изучена достаточно подробно. Идентифицировано более 20 генов короткостебельности пшеницы (McIntosh et al., 2003) и показано наличие как минимум 5-и генетических систем, детерминирующих снижение высоты растений у ржи (Кобылянский, 1989). Успехи в создании селекции высокопродуктивных сортов зерновых культур, достигнутые в 60-70-е годы прошлого столетия, в первую очередь связаны с радикальным изменением архитектоники растений путем широкого использования в селекции доноров генов короткостебельности, обеспечивающих устойчивость растений к полеганию (Borlaug, 1968; Лукьяненко 1975; Беспалова, 2001; Пыльнев, Пыльнева, 2001).
У тритикале большая часть исследований посвящена изучению высоты растений только у первичных пшенично - ржаных амфидиплоидов (Muntzing, 1979; Гордей, 1992; Тихенко и др., 2003 и др.). В имеющихся работах по изучению наследования этого признака у гексаплоидных форм тритикале экспериментальные данные получены на малом количестве образцов, которые не отражают все фенотипическое и генетическое разнообразие по высоте растений у данной культуры (Рехметулин, 1984, 1985; Шевченко, Гончаров, 1990, 1997; Соловьев, 2007 и др.).
Цель и задачи исследований. Цель исследований - выявление генетического разнообразия гексаплоидных тритикале по высоте растений и определение селекционной ценности аллелей короткостебельности выделенных и созданных форм.
Для выполнения работы необходимо было решить следующие задачи:
- определить генетический контроль различных уровней низкорослости тритикале;
- изучить влияние R/D замещений на экспрессию генов короткостебельности гексаплоидных тритикале;
- провести изучение идентичности выявленных генов короткостебельности;
- создать новые доноры короткостебельности гексаплоидных тритикале;
- провести анализ селекционной ценности выявленных аллелей короткостебельности;
- выделить доноры устойчивости к полеганию, сочетающие комплекс селекционно-ценных признаков.
Научная новизна и практическая значимость.
Впервые изучен признак «высота растения» у большого количества сортообразцов гексаплоидного тритикале мировой коллекции ВНИИР им. Н.И. Вавилова. Доказано, что созданный к настоящему времени генофонд гексаплоидного тритикале имеет все уровни высоты растений, необходимые для выращивания культуры во всех регионах и на любые производственные цели.
Установлен различный характер короткостебельности тритикале: от сверхдоминирования высокорослости до неполного доминирования низкорослости. Изучен генетический контроль высоты растений у 52 сортообразцов гексаплоидного тритикале, выявлено 16 генов, детерминирующих короткостебельность.
С использованием SSR маркеров подтверждено наличие 2R/2D замещения у 13 образцов гексаплоидного тритикале.
Доказана невозможность изучения генетического контроля признаков тритикале с помощью гибридологического анализа гибридных комбинаций от скрещивания тритикале с геномом AABBRR и образцов, имеющих R/D замещения.
Доказано взаимодействие главных генов короткостебельности тритикале и генетического компонента, влияющего на высоту растения, хромосомы 2D.
Показана возможность определения 2R/2D замещения у образцов гексаплоидного тритикале на основе изучения фенотипических особенностей растения, наличия стерильных растений в гибридных популяциях F2 и использования SSR маркера WMS261.
Впервые сформирована генетическая коллекция тритикале, состоящая из сортообразцов с различным наследованием короткостебельности (6 генов нискорослости у тритикале с немодифицированным набором хромосом и 8 генов - у R/D замещенных форм).
У ряда образцов тритикале идентифицированы известные гены короткостебельности rht1, Rht3 и Hl.
Впервые выделена ультракарликовая линия тритикале, доказано, что карликовость контролируется одним полудоминантным геном с плейотропным эффектом на ряд морфологических признаков.
Впервые в генофонд тритикале передан ген короткостебельности Rht10.
Впервые проведен анализ селекционной ценности идентифицированных генов короткостебельности. Показано, что действие практически всех генов, снижающих высоту растений не сопряжено с ухудшением признаков продуктивности.
Создано 83 селекционно-ценных, устойчивых к полеганию линий гексаплоидного тритикале, которые могут быть использованы в селекции и непосредственно в производстве.
Полученные нами наиболее ценные линии занесены в каталог мировой коллекции тритикале ВНИИР и используются в селекционных, генетических и экологических программах в Краснодарском НИИСХ им. Лукьяненко, Северо-Донской ГСХОСДЗНИИСХ, Горном Ботаническом саду ДНЦ РАН, Институте генетических ресурсов Национальной академии наук Азербайджана.
Положения выносимые на защиту:
1. Генетическая коллекция гексаплоидного тритикале, состоящая из сортообразцов, имеющих различные гены короткостебельности, экспрессия которых обеспечивает все селекционно-ценные уровни высоты растений;
2. Конкретный уровень высоты растений контролируется как единичными генами, так и несколькими взаимодействующими генетическими факторами;
3. 2R\2D замещение снижает высоту растений гексаплоидного тритикале как в отсутствии, так и при наличии главных генов низкорослости;
4. Система тестов для определения R/D замещенных форм;
5. Идентификация аллеля короткостебельности ультракарликового мутанта тритикале, обладающего плейотропным эффектом на морфологические признаки;
6. Селекционно-ценные линии гексаплоидного тритикале, устойчивые к полеганию, рекомендуемые для выращивания в различных агроэкологических условиях.
Апробация работы. Результаты исследования доложены или представлены на: Межрегиональной научно-практической конференции «ВУЗ и АПК: задачи, проблемы и пути решения» (Махачкала, 2002); Общероссийской научно-практической конференции «Горные регионы России: стратегия устойчивого развития в ХХI веке - повестка дня 21» (Махачкала. 2003); Юбилейной конференции, посвященной 70-летию ДОС ВИР (Дербент, 2005); Международной научной конференции «Genetic resources of biodiversity» (Баку, 2006); Международной конференции «Проблемы биологии растении» (Санкт-Петербург, 2006); 6-ом международном симпозиуме по тритикале (ЮАР, 2007); II Вавиловской международной конференции: "Генетические ресурсы культурных растений в ХХI веке: состояние, проблемы, перспективы" (Санкт-Петербург, 2007); Всероссийской научно-практической конференции «Образование, наука, инновационный бизнес - сельскому хозяйству регионов» (Махачкала, 2007); IX международной конференции «Биологическое разнообразие Кавказа» (Махачкала, 2007); Всероссийской научно-практической конференции «Генетические ресурсы растений: сохранение, изучение и использование в селекции» (Москва, 2008); Заседании секции тритикале отделения растениеводства РАСХН (Ростов-на-Дону, 2008); Второй Всероссийской конференции «Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам» (Санкт-Петербург, 2008); Конференции профессорско-преподавательского состава СПбГАУ (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 50 статей, 16 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ к защите докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы. Работа изложена на 290 страницах, включает 55 таблиц и 12 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 459 наименований, в том числе 187 на иностранных языках.
Автор выражает искреннюю благодарность за совместную творческую работу А.Ф. Мережко, А.А. Альдерову, Л.Г. Тырышкину, М.А. Колесовой.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Условия, материал и методы проведения исследований
Экспериментальная работа выполнена на Дагестанской опытной станции ВИР (ДОС ВИР, Дагестан, Дербентский район, с. Вавилово), расположенной в южной плоскостной зоне Дагестана. Климатические условия за годы проведения экспериментальной работы (1995-2008 гг.), в целом были благоприятны для развития растений и, соответственно, для проведения исследований.
Материалом исследований служили сортообразцы гексаплоидного тритикале из мировой коллекции ВНИИР им. Н.И. Вавилова, с разной степенью выраженности признака высоты растения. В качестве тестеров высокорослости использовали длинностебельные сорта ПРАГ 3 (к-384, Дагестан) (озимый) и Аист харьковский (к-2778, Украина) (яровой).
Полевые опыты закладывали в разные сроки при озимом и яровом посевах в зернопропашном севообороте в условиях орошения. Все фенологические наблюдения и анализы растений проводили согласно методическим указаниям ВИР (1999). Скрещивания образцов проводили по стандартной методике (Мережко и др., 1973). Показатель доминирования hp рассчитывали по формуле G.M. Beil and R.E. Atkins (1965). При анализе второго поколения использовали критерий степени соответствия полученных данных теоретически ожидаемым хи-квадрат (ч2). В случае перекрывания фенотипических классов у родительских форм генетический анализ наследования признака и определение числа генов проводили с использованием программы «Полиген А» (Мережко, 2005). Критерием оценки гомо- и гетерозиготности семей F3 служило стандартное отклонение (s). Нерасщепляющимися считали семьи, для которых этот показатель находился на уровне варьирования родительских форм. Выборка для родительских форм и гибридов первого поколения составляла 30-50 шт, для F2 более 100 растений. Для анализа в F3 в различных комбинациях брали или все растения F2 или ровно половину. Статистическая обработка экспериментальных данных проведена по Б.А. Доспехову (1979), с использованием компьютерной программы Microsoft Excel 2002.
Молекулярный анализ образцов проводили в отделе генетики ГНУ ГНЦ ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова (Санкт-Петербург, Пушкин). ДНК выделяли из листьев двух-трех 10-дневных проростков по методике, предложенной Edwards et al. (1991), в модификации Д.Б. Дорохова и Э. Клоке (1997). Для полимеразной цепной реакции использовали две пары праймеров к STS-маркерам гена Rht2: DF2 и WR2 (выявляют аллель дикого типа) и DF и MR2 (выявляют аллель короткостебельности) (Ellis et al., 2002); праймеры к SSR-маркеру гена Rht8: WMS261-F и WMS261-R (Korzun et al., 1998). Полимеразную цепную реакцию проводили по разработанным для каждого праймера протоколам (Korzun et al., 1998; Ellis et al., 2002).