Журавель В.М. Створення вихідного матеріалу для селекції гірчиці сизої та білої методом хімічного мутагенезу

Краткое содержание

Ботанічна характеристика та біологічні особливості гірчиці. Створення вихідного матеріалу хрестоцвітих культур методом мутагенезу (огляд літератури)

Розглянуто наукові літературні джерела, в яких різними дослідниками викладені особливості індукованого мутагенезу в селекції рослин. Даний метод дозволяє створювати величезну різноманітність нових форм з корисними ознаками, допомагаючи скоротити строки селекційної роботи та одержати нові сорти. Наведені результати охоплюють великий проміжок часу і у цілому відображають сучасний стан досліджень за даною темою.

Подано огляд праць з питань застосування експериментального мутагенезу на культурі гірчиці. Виявлено недостатність вивчення індукування оригінальних мутацій гірчиці, підвищення частоти і розширення їхнього спектра і можливості збагачення генофонду культури. Виходячи з цього, актуальність даних досліджень і важливість вирішення поставлених задач не викликають сумніву.

Умови, матеріал і методика досліджень. Експериментальні дослідження проводили впродовж 2000–2006 рр. в Інституті олійних культур УААН (ІОК УААН). Ґрунтовий покрив представлений типовими звичайними середньоміцними малогумусними чорноземами. Метеорологічні умови у роки проведення дослідів відрізнялися за температурним режимом і зволоженням. Кращими роками для росту та розвитку гірчиці стали 2002, 2004 рр.

У дослідах використовували зразки гірчиці з колекції лабораторії селекції гірчиці ІОК двох видів: гірчиці сизої (сарептської) (Brassica juncea) – сорт Тавричанка, НВ-0551, НВ-0451, К-692, К-2982 та К-2642/1 та гірчиці білої (Sinapis alba) – № 581889, № 581890. Обрані генотипи відрізнялися походженням та рядом цінних господарсько біологічних особливостей.

Повітряно-сухе насіння восьми генотипів гірчиці обробляли хімічним мутагеном – етилметансульфонатом (ЕМС) у концентраціях 0,01, 0,05, 0,1, 0,5%.

Для вивчення впливу хімічного мутагену на рослини першого покоління (М₁) їх висівали у теплиці ІОК УААН. Здійснювали індивідуальну ізоляцію, визначали такі показники, як схожість насіння, виживання рослин, тривалість періоду “сходи-цвітіння”, вегетаційного періоду. Посів у М₂ та М₃ здійснювали у польових умовах посімейно: сім’я у М₂ – потомство однієї рослини з М₁; сім’я у М₃ – потомство сім’ї з М₂.

Упродовж вегетаційного періоду проводили фенологічні спостереження, відмічали рослини зі зміненими морфологічними і фізіологічними ознаками, у наступних поколіннях проводили перевірку успадкування виділених змін. Вели облік всіх видів мутацій на кожній стадії росту і розвитку рослин у поколіннях М₂, М₃. Частоту мутацій виражали у процентах сімей з мутантними рослинами від загальної кількості вивчених сімей у відповідному варіанті досліду у поколінні М₂ або М_3.. При підрахунку частоти та спектра мутацій у М₃, мутації ознак, відмічені у М₂, які продовжували проявлятись у тих же родинах, другий раз не враховували. Точний підрахунок частоти видимих мутацій проводили тільки у наступному поколінні після перевірки успадкування ознаки, для чого виділені мутантні форми висівали сім’ями у наступному поколінні. Для прискорення аналізу в осінньо-зимовий період рослини вирощували у фітотроні. Всього у поколіннях М₂ та М₃ було проаналізовано 5026 мутантних сімей гірчиці сизої та білої. Гібридизацію проводили згідно методики Воскресенської Г.С. для гірчиці сарептської та інших культур роду Brassica. Визначення біохімічних показників: олійності насіння, жирнокислотного складу та вмісту алілгірчичної олії здійснювали у лабораторії біохімії ІОК УААН за стандартними методами. Суттєвість відхилень дослідних даних від контролю оцінювали за критерієм Ст’юдента, при аналізі співвідношення використовували критерій хi-квадрат. Статистичну обробку даних проводили на комп’ютері за програмою MSTAT-C, яка була розроблена у Мічиганському університеті (США).

Вплив етилметансульфонату на ріст та розвиток рослин гірчиці сизої (сарептської) та білої у поколінні М₁

Установлено, що обробка насіння гірчиці сизої та білої ЕМС по-різному вплинула на схожість та викликала депресію більшості ознак рослин. Так, значуще для всіх восьми досліджуваних генотипів гірчиці схожість знижувалася у варіантах, де концентрація мутагену складала 0,5% (при Р<0,001), а для генотипу К-2982 зниження спостерігали вже при концентрації ЕМС 0,1%. Для гірчиці сарептської сизонасіннєвої схожість, у порівнянні з контролем, у варіантах обробки була меншою у 1,3–3,5 раза, для гірчиці жовтонасіннєвої – у 2,1–11,3 раза, а для гірчиці білої – у 1,3–12,8 раза. Однак у ряді випадків ЕМС у найменших концентраціях (0,01 і 0,05%) виступав як стимулятор прояву даної ознаки. Відмінності від контролю у бік збільшення були значущі для гірчиці білої № 581889 (Р<0,05). У всіх вивчених генотипів просліджується зменшення кількості рослин, що вижили, у міру збільшення концентрації ЕМС. Найбільш значимим воно виявилося для гірчиці білої і було суттєвим уже при найменшій концентрації мутагену (0,01%) для обох генотипів, а у варіанті, де концентрація ЕМС складала 0,5%, всі рослини генотипу № 581890 загинули. Виявлено, що зниження виживання у рослин гірчиці сарептської було значуще у варіантах, де концентрація ЕМС складала 0,1 і 0,5%, а для генотипу НВ-0451 – і при більш низьких концентраціях мутагену. Встановлено, що мутаген ЕМС також вплинув на тривалість періоду “сходи-цвітіння” та тривалість вегетаційного періоду (ТВП). Для гірчиці сарептської подовження періоду “сходи-цвітіння” склало у залежності від генотипу 2–6 дні, ТВП – 2–5 днів, для генотипів гірчиці білої – 3–5 та 2–3 днів відповідно.

Мутаційна мінливість гірчиці сизої (сарептської) та білої за частотою мутацій

у поколіннях М₂ і М₃, індукованих ЕМС

Спектр мутацій гірчиці у поколінні М₂. У другому поколінні проведено відбір змінених форм у рослин гірчиці сизої та білої. Установлено широкий спектр мутантів – 43 типи спадкових змін, об’єднаних у 7 груп. У гірчиці сизої спостерігали 41 тип мутацій, у гірчиці білої – 19.

Одну з найбільших груп (9 типів) спадкових змін склали мутації з порушенням синтезу хлорофілу, що різнилися за зовнішнім проявом та ступенем пригніченості від летальних до нормально життєздатних рослин. Розрізняли такі типи: аlbina, viridis-albina, striata, xantha, viridis, xantha-viridis, темно-зелена рослина, коричнева плямистість на листках, антоціанове забарвлення листків. Установлено залежність спектра хлорофільних мутацій від генотипу та виду гірчиці.

Мутації сім’ядольних та справжніх листків представлені вісьмома типами змін: трисім’ядольні листочки, двопластинчасті листки, трипластинчасті листки, гофровані листки, здуті листки зустрічаються двох видів: здуття листкової пластинки відбувається між жилками листка, внаслідок чого останній набуває пупирчастої форми; краї листкової пластинки перестають рости, а його центральна частина продовжує ріст, внаслідок чого відбувається здуття листкової пластинки, сильно розсічені листкові пластинки, підвищена облистяність рослини, відсутність опушення.

Мутації структури стебла та гілок представлені такими типами: супротивне розташуванням гілок, порушення почергового розташування гілок, редуковане стебло, згин стебла та гілок, мутовчасте розташуванням гілок, коротке міжвузля, високостеблова рослина – типи змін, які характеризують порушення архітектоніки рослини.

Мутації квіток типу біло-жовте (смугасте) забарвлення пелюсток квітки, блідо-жовте (лимонне) забарвленням пелюсток квітки, кремове забарвлення пелюсток квітки, великі та дрібні квітки, квітки, що зрослися.

Мутації стручків типу стручки, що зрослися, куляста форма стручків.

Мутації забарвлення та розміру насіння представлені зміною забарвлення насіннєвої оболонки з коричневого у контролю (сизонасіннєві зразки) на блідо-жовте та світло-коричневе (руде). Жовта оболонка насіння жовтонасіннєвих зразків гірчиці змінювалась на світло-коричневу, зеленкувату та яскраво-жовту. Рослини за фенотипом не відрізнялися від контролю. Великонасіннєві мутанти обох генотипів гірчиці білої перевищували на 3–4 г масу тисячі насінин контролю, у гірчиці сизої – на 1,5–1,8 г.

Мутації фізіологічних ознак представлені такими типами мутацій: ранньостигла рослина, пізньостигла рослина та стерильна рослина, де розрізняли опадання пелюсток квітки під час цвітіння рослин, маточка та пиляки засихають, зав’язь не утворюється; з нерозкритих бутонів видно маточку, яка не запилюється, зав’язь не утворюється.

Частота мутацій гірчиці у поколінні М₂. Установлено залежність частоти появи мутацій від концентрації мутагену. У більшості випадків зі збільшенням його дози від 0,01 до 0,5% частота таких значно знижувалась. Високі концентрації ЕМС стимулювали частоту появи мутацій з хлорофільною недостатністю у гірчиці сарептської жовтонасіннєвої та білої, а також мутації квіток у обох видів гірчиці.

При обробці ЕМС різними концентраціями установили різну мутабільність видів та генотипів гірчиці. Найбільш мутабільним у наших дослідженнях виявився генотип гірчиці сизонасіннєвої К-2982 із загальною частотою 74,9% мутантних сімей та 31 типом змін. У інших генотипів гірчиці сарептської загальна частота таких становила 33,2–55,2%, кількість типів змін варіювала від 21 до 26. Генотипи гірчиці білої № 581890 та № 581889 характеризувались майже однаковою загальною частотою мутантних сімей – 22,5 та 23,5%, а також 16 і 14 відповідно типами змін. Узагальнені дані дозволяють характеризувати гірчицю сизу у порівнянні з гірчицею білою як більш мутабільний вид (табл.1).

З’ясовано, що кожна з груп мутацій мала неоднакову кількість мутантних сімей. У всіх досліджуваних зразків покоління М₂ найбільше виявлено сімей з порушенням синтезу хлорофілу: 13,7–21,2% у генотипів гірчиці сизонасіннєвої, причому максимальна їхня кількість індукована з генотипу К-2982; 11,6–14,7% у генотипів гірчиці жовтонасіннєвої та 11,7–13,5% у генотипів гірчиці білої. Найбільшу кількість сімей з мутаціями сім’ядольних та справжніх листків виділено у генотипів гірчиці сизої НВ-0451 та сорту Тавричанка 11,4 та 12,6% відповідно, а мутацій структури стебла та гілок – у трьох генотипів гірчиці сизонасіннєвої від 12,5 до 18,4%. Високий процент сімей з мутаціями квіток спостерігали у генотипу НВ-0451 та сорту Тавричанка – 10,5 та 8,3% відповідно, а у К-2642/1 та № 581890 таких не виявлено. ЕМС не індукував мутації стручків у гірчиці білої та сорту Тавричанка. Мутації групи забарвлення та розміру насіння виявлені у п’яти генотипів гірчиці сизої та білої. Найбільшу загальну кількість сімей з мутаціями фізіологічних ознак (9,2%) виділено у генотипу К-2982, а у генотипу К-692 таких не спостерігали.

Суттєвим моментом при вивченні частоти та спектра мутацій, індукованих ЕМС у гірчиці, є визначення їхньої корисної частки – мутацій з господарсько цінними ознаками (ГЦО). До таких віднесено деякі мутації з порушенням синтезу хлорофілу (темно-зелені та світло-зелені рослини, коричнева плямистість), мутації квіток та насіння, мутації фізіологічних ознак (ранньостиглі) та інші. Зі збільшенням дози мутагену частота появи мутацій з ГЦО зменшувалась у шести генотипів гірчиці сарептської. Слід відмітити, що найбільшу їхню кількість індуковано у сизонасіннєвого зразка К-2982 – 16,2–44,3%. Генотипи гірчиці білої № 581889 та № 581890 характеризувались максимальним їхнім значенням 14,3 та 20,0% лише при високій концентрації мутагену (0,1%).

Найбільшу частку з усіх груп мутацій займають мутації з порушенням синтезу хлорофілу – 34,7%; 29,3% у загальному співвідношенні різних груп мутацій становлять мутації сім’ядольних та справжніх листків. Майже однакову частку займають мутації стручків, мутації забарвлення та розміру насіння і мутації фізіологічних ознак.

Виявлено значну ефективність мутагену при різних концентраціях дії у збільшенні не тільки загальної частоти мутацій, але й за окремими ознаками, які мають селекційну цінність.

Частота та спектр мутацій гірчиці у поколінні М_3. Спектр мутацій гірчиці у поколінні М₃ був значно вужчим – 29 типів змін, у порівнянні з 43 типами у М₂. Загальна частота появи мутантних сімей у восьми досліджуваних генотипів гірчиці сарептської та білої у поколінні М₃ також була значно (у 2–3,5 раза) нижча у порівнянні з М₂.