Чебаков М.П. Особливості вихідного матеріалу західно-європейського екотипу і створення на його основі сортів озимої пшениці для умов Лісостепу і Полісся України

Краткое содержание

У першому розділі “Коротка історія і сучасний стан створення вихідного матеріалу методом хімічного мутагенезу в селекції озимої пшениці” подається аналіз стану вивченості генетичного контролю морфологічних ознак і механізмів продукційних процесів озимої пшениці та використання генетичних підходів створення вихідного матеріалу з детермінованими ознаками та властивостями. Узагальнені й виділені недостатньо вивчені питання хімічного мутагенезу, вирішення яких має важливе значення в збагаченні вихідного матеріалу для селекційно-генетичного поліпшення сортів озимої пшениці.

У другому розділі “Умови і методика проведення досліджень” описані місце, умови, матеріал і методи проведення досліджень.

Робота по створенню вихідного матеріалу методом хімічного мутагенезу виконувалася протягом 1981-1998 років в умовах дослідного поля Білоцерківського державного аграрного університету (БДАУ), лабораторіях вузу та Миронівського інституту пшениці УААН.

Дослідне поле розташоване на території учбово-дослідного господар-ства БДАУ. Грунти дослідного поля – чорноземи глибокі малогумусні вилуговані суглинкові, які характеризуються низькими фізичними властивостями, низькою проникністю і слабкою аерацією. Вміст гумусу коливається в межах 3-3.6 %. Загальний вміст азоту, що легко гідролізується, рухомих форм фосфору й калію коливається від низького до середнього. Гідролітична кислотність грунту (рН сольової витяжки) знаходиться в межах 5.9-6.7.

Погодні умови за роки проведення досліджень. У деякі роки спостерігалися відхилення від середніх багаторічних показників, що  певною мірою впливало на формування урожаю і якості зерна, стійкість до вилягання та ураження хворобами, тобто були характерними для правобережної частини лісостепової зони України, детальний аналіз яких приведений у роботі.

Вивчали цитогенетичну і мутагенну дію восьми алкілуючих ДНК сполук: N-нітрозо-N-метилсечовина (НМС), N-нітрозо-N-етилсечовина (НЕС), N-нітрозодиметилсечовина (НДМС), диметилсульфат (ДМС), диетилсульфат (ДЕС), нітрозометилбіурет (НМБ), 1, 4-бісдіазоацетил-бутан (ДАБ), етиленімін (ЕІ). Як модифікатор цитогенетичної дії мутагенів вивчали пара-амінобензойну кислоту (ПАБК). Мутагени й ПАБК синтезовані у відділі хімічного мутагенезу Інституту хімічної фізики (Москва) і люб`язно надавалися нам для роботи завідуючим відділом  Й.А. Рапопортом.

Мутагенну дію цих сполук вивчали на сортах вітчизняної й зарубіжної селекції та індукованих нами в цих сортів мутантах М₃-М₇. За період досліджень дії мутагенів піддавали понад 50 сортозразків, перелік яких приведений у дисертації. Зразки селекційних сортів вітчизняної й зару-біжної селекції для досліджень одержували з колекційного розсадника Миронівського інституту пшениці УААН.

Цитогенетичну активність мутагенів вивчали за частотою хромосом-них аберацій у клітинах меристеми зародкових коренів на тимчасових ацетокармінових препаратах у пізній анафазі й ранній телофазі.

Від сходів до дозрівання вели спостереження за рослинами М₁. Облік змінених форм у М₁ вели за кількістю рослин, а в М₂ – змінених сімей.

Рослини з морфологічними змінами відбирали, проводили індивіду-альний біометричний аналіз і висівали для перевірки за потомством у М₂ та наступних поколіннях. Решту рослин М₁ збирали, проводили індивідуальний аналіз і висівали колоссями (головний колос), що гаран-тувало виключення механічного засмічення іншими формами.

У роботі з поколіннями константних мутантів застосовували індивідуальний добір за селекційно й господарсько цінними ознаками, у нестабільних – безперервний добір за методом педігрі в поєднанні з масовим відбором плюс-варіантів у третьому-дев`ятому поколіннях після виділення мутантної рослини.

Біометричні аналізи проводили за загальноприйнятими в кількісній генетиці методами по середньому зразку 20-30 рослин.

Оцінку польової стійкості мутантів до бурої іржі проводили за загальноприйнятою методикою за шкалою Т.Д. Страхова (М.Я. Молоцький, С.П. Васильківський, В.І. Князюк, 1995), ураження борош-нистою росою - за шкалою Е.Е. Гешеле (В.П. Омелюта та ін., 1986).

Площа облікових ділянок варіювала залежно від етапів роботи. У колекційному й селекційному розсадниках мутантів і гібридів вона визначалася кількістю насіння селекційного зразка. У старших М (F) поколіннях зі збільшенням кількості насіння облікова площа ділянок зростала від 1 м² до    50 м², а повторення – від 2 до 6.

Статистичну обробку даних проводили за методами описової статистики, кореляційного, дисперсійного аналізів (Рокицкий П.Ф., 1973,1974; Г.Ф. Лакин, 1990; Б.А. Доспехов, 1979) та ANOVA-MANOVA за програмою “Statistica”, версія 5.0, Windows-95 на персональному комп`ютері “ViewSonic 14 ES”.

У третьому розділі “Формотворчий процес при хімічному мутагенезі” подані результати досліджень цитогенетичної дії хімічних мутагенів на проростання насіння М₀, ріст, розвиток, мутабільність рослин М₁-М₂ та формотворчого процесу й добору в поколіннях генетично нестабільних мутантів озимої пшениці.

Супермутагени характеризуються різноманітністю своєї дії на клітини рослин. Багатьом з них властива досить виражена цитотоксична дія. Механізм цитотоксичного ефекту відображає широкий розмах взаємодії хімічних агентів, здатних вступати в реакцію як з генним матеріалом, так і з цитоплазматичними ферментами. Отже, токсична дія мутагенів може бути причиною структурних пошкоджень хромосом або інактивації життєво важливих ферментів, що пригнічує ріст зародкових корінчиків. Їх довжина варіювала у всіх сортів залежно від дози мутагена.

Спостерігалася пряма залежність: з підвищенням концентрації мутагена зменшувалася довжина зародкових корінчиків. Усі мутагени в концентрації 0.05 % спричиняли її зниження в усіх сортів. Однак, дія одного й того ж мутагена неоднаково проявлялася на різних генотипах. НЕС у концентрації 0.0125 % у всіх сортів проявляла стимулюючу дію на довжину зародкових корінчиків, яка достовірно перевищувала контроль.

Усі мутагени в концентрації 0.05 і 0.025 % у всіх сортів знижували польову схожість насіння порівняно з контролем і навіть спричинювали повну його загибель. Встановлена чітка залежність: з підвищенням концентрації мутагена знижується польова схожість насіння. Хоча іноді ця тенденція (залежно від генотипу сорту) порушується так, що при вищій концентрації (0.05%) польова схожість буває вищою, ніж при 0.025%. НДМС, ДМС, ДЕС, НМБ і ДАБ в 0.05 %-ній концентрації діють дещо м`якше порівняно з нітрозометилсечовиною та етиленіміном.

Мутація виникає внаслідок взаємодії мутагена з генетичним матеріалом клітини. На шляху до цього контакту мутаген вмішується в метаболічний баланс і може спричиняти різноманітні порушення внутрішньоклітинної рівноваги та ураження ділянок генома. Тому перші процеси, що протікають безпосередньо після замочування насіння в розчині мутагена спричиняють пошкодження на клітинному рівні й порушення структури хромосом.

За частотою хромосомних аберацій ми вивчали дію шести мутагенів на п`яти сортах. Мутагени порушують хромосомний апарат і нормальне протікання мітозу в клітинах зародкових корінчиків. Частота порушень залежить від концентрації мутагена. Для всіх мутагенів і сортів виявлена пряма залежність: з підвищенням концентрації мутагена зростає частота хромосомних аберацій.

Найвищу активність за дією на мітотичний апарат клітини серед мутагенів, які ми вивчали, проявляли НМС і ЕІ.

Аналіз графіків (рис. 1) приводить до висновку, що активність мутагенів проявляється неоднаково на різних генотипах.

Встановлено (Рапопорт И.А., Васильева С.В., Давниченко Л.С., 1979), що ПАБК підвищує репараційний процес у мікроорганізмів і активує ферменти.  Виходячи з універсальності механізмів репарації ДНК, ми допускали, що ця властивість може проявлятися і на вищих організмах. Тоді застосування ПАБК з мутагенами можна використовувати для підви-щення польової схожості насіння в рік його обробки мутагенами. У резу-льтаті цього експерименту, ми вперше виявили модифікуючу дію ПАБК пошкоджень хромосом, зумовлених дією мутагенів у клітинах пшениці.

Так, частота хромосомних аберацій у клітинах меристеми зародкових корінчиків для всіх мутагенів і сортів була нижчою на 7-12 % порівняно з варіантами без застосування ПАБК. Однак зменшення кількості структурних порушень хромосом не призвело до значного підвищення польової схожості насіння. А насіння трьох сортів, оброблене ЕІ і ПАБК при 8.6-16.8 % хромосомних аберацій, взагалі не зійшло.

Рис. 1 Частота хромосомних аберацій (%) у клітинах меристем зародкових корінчиків насіння , обробленого мутагенами, у сортів озимої пшениці (1981 – 1983 рр.) 1 – НЕС; 2 – НМБ; 3 – НДМС; 4 – НМБ; 5 – ДЕС; 6- ЕІ; К – контроль (намочене у воді)

Отже, зниження польової схожості насіння не є наслідком генетичної загибелі, спричиненої лише абераціями хромосом. Наймовірніше загибель паростків спричиняється як генетичним, так і негенетичним механізмом, який зумовлюється головним чином блокуванням життєво важливих ферментів токсичними продуктами розпаду мутагенів.

Аналіз результатів дії хімічних мутагенів на ступінь прояву кількісних ознак (висота стебла, довжина, кількість колосків і зерен головного колоса) у рослин М₁ різних сортів показує, що у високих дозах вони зумовлюють від`ємні, а в слабких – майже завжди індукують позитивні модифікації. Однак поява дискретних якісних ознак (остистість-безостість, червоне-біле забарвлення колоса), хоча й з дуже низькою частотою, які можна розглядати як прості менделюючі,  вказує на можливість виникнення мутацій у рослин у М₁. Це дає підстави стверджувати, що мутаційні зміни можуть виникати в генах з малим кількісним ефектом, які утворюють полігенні системи. Через те, що кількісні ознаки (довжина стебла і колоса та ін.), що детермінуються полігенно, утворюють безперервний ряд мінливості, то мутаційні зміни окремих полігенів у цій системі можуть маскуватися модифікаціями.

Мутагени, що належать до класу алкілуючих ДНК сполук проявляли неоднакову цитогенетичну й фізіологічну дію як на початкових етапах росту й розвитку, так і на формування кількісних ознак елементів продуктивності рослин озимої пшениці в М₁.

Аналіз рослин М₁ дає підстави стверджувати, що кількість особин з чітко вираженими змінами фенотипу в значній мірі залежить від генотипу сорту й мутагена. У більшості сортів у М₁ для всіх мутагенів і концентрацій змінені рослини не зустрічалися або їх кількість була незначною (0.3-0.8 %).

У більшості рослин, відібраних у М₁ за нетиповим для вихідного сорту фенотипом, зміни стосувалися морфології колосу: остистість та напівостистість у lutescens, безостість і напівостистість у erythrospermum, підвищена щільність колоса, скверхедність, компактоїдність, субкомпак-тоїдність, спельтоїдність, опушення колоскових лусок та ін.

У гексаплоїдних видів пшениці встановлені випадки залежності ознаки від дози гена. Тобто при кумулятивній дії ступінь прояву ознаки посилюється зі збільшенням дози гена (аааА < ааАА < аААА < АААА). Очевидно, що характер фенотипового розщеплення мутантів, які несуть різну кількість домінантних алелей, буде відбуватися по різному.

Напівостисті мутанти появляються в М₁ частіше порівняно з іншими змінами морфологічних ознак колосу, але в 91.6 % випадків дають розщеплення в М₂ і 77.1 % – у М₃, що вказує на їх гетерозиготність. Однак, зустрічаються відхилення від звичайного моногібридного розщеплення. На наш погляд це пояснюється реверсією мутантного гена-інгібитора остистості з рецесивного стану в домінантний.

Морфологічні ознаки колосу нас цікавили головним чином як маркери для виявлення мутацій. Однак головна наша мета полягала в одержанні мутацій з господарсько корисними ознаками, тому при відборі мутантів ми користувалися і кількісними ознаками: висота стебла, число й маса зерна головного колоса, тривалість вегетаційного періоду, зимостійкість, стійкість до хвороб, вилягання та ін. Користуючись комплексом названих ознак, подавляючу більшість мутантів відбирали в М₂-М₃.

У другому й третьому поколіннях появлялися як домінантні, так і рецесивні мутації. Переважно це були пізньостиглі форми, низько- й високорослі, скверхедні, напівостисті, з вищою й нижчою озерненістю та продуктивністю колосу порівняно з вихідними сортами. У наступних поколіннях оцінювали їх за господарсько цінними ознаками й властивостями. Кращі константні мутантні лінії включали в селекційний розсадник.

Мутації, що змінюють довжину стебла, спостерігаються часто. У наших дослідах мутанти М₂ і М₃ з меншою або більшою висотою стебла, ніж у вихідних сортів, зустрічалися з частотою 15.9-86.8 % (табл. 1).

Мутанти, відібрані в М₁-М₂ за морфологічними ознаками, що різнилися від вихідних сортів, давали розщеплення. Тобто, як правило, вони були гетерозиготними за маркерними ознаками. Тому в наступних мутантних поколіннях ми вели добір за методом педігрі.

Так, у розсаднику вихідного матеріалу в 1985 р. вивчалося 165 ліній М₃, з яких 73.3 % достовірно відрізнялися від вихідних сортів за висотою стебла. Вихідні сорти (Миронівська 25, Киянка й Поліська 70) належать до групи середньорослих  (96-110 см).  Із 165 ліній 44 мали таку ж  висоту  стебла   як  вихідні сорти, 23 були високорослими (>111 см), 86 належали до групи низькорослих (81-95 см) і лише 12 – до напівкарликів (66-80 см). Як в 1985, так і в 1986 році в розсаднику вихідного матеріалу серед мутантних ліній не виявлено жодного карлика (табл.1). У 1986 р. у розсаднику вихідного матеріалу вивчались лінії, одержані з середньорослих сортів Безоста 1, Білоцерківська 18 і Білоцерківська 47.