Тищенко В.М. Еколого-генетичні аспекти селекції озимої пшениці в умовах Лісостепу України

Короткий зміст

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

Проаналізовані дані літературних джерел із питань використання в селекційному процесі озимої пшениці еколого-генетичного підходу та індексної селекції при створенні сортів із підвищеними адаптивними властивостями, зимостійкістю, високою якістю зерна і врожайністю для різного рівня ґрунтового живлення та екологічних умов Лісостепу України. Наведено теоретичне обґрунтування обраного напряму досліджень. Визначені актуальні, недостатньо розроблені питання з методології еколого-генетичних аспектів селекції озимої пшениці та обґрунтовано вибір теми.

РОЗДІЛ 2. УМОВИ, ВИХІДНИЙ МАТЕРІАЛ  І  МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ.

Основні експерименти дисертаційної роботи виконувалися на селекційній ділянці дослідного поля в лабораторії селекції озимої пшениці Полтавської державної аграрної академії в 1994-2005рр.

Матеріалом для польових досліджень слугували: селекційні лінії (СЛ) з контрольного розсадника (КР); попереднього сортовипробування (ПСВ); конкурсного сортовипробування (КСВ), спеціального досліду за строками сівби – СП середньоранній (СП-1) 1-3 вересня і середньопізній (СП-2) 1-3 жовтня; гібридних F₁; F₂; селекційних розсадників і розсадника вихідного матеріалу (понад 3000 зразків), сформованого на матеріалі, наданому ВІР-ом, інститутом рослинництва ім. В. Я. Юр’єва УААН, випробуваний у наших ґрунтово-кліматичних умовах (1972-2005 рр.) на адаптивні властивості.

Польові досліди: польові досліди, обліки, вимірювання, аналізи проводили за загальноприйнятими методиками, які широко використовуються в селекційній практиці при створенні сортів озимої пшениці і дослідній справі Державної комісії з випробування та охорони сортів рослин, Українського інституту експертизи сортів рослин. У польових дослідах вивчено: 1994 р. –
22 СЛ КСВ; 1995 р. – 21 СЛ КР; 1996 р. – 20 СЛ ПСВ; 1997 р. -12 СЛ КСВ;
1999 – (СП-1,2) – 22 СЛ із 14 комбінацій схрещування; 2000 р. – 15 СЛ КСВ; 2001 р. – (СП-1,2) – 107 СЛ із 16 комбінацій схрещування; 2001 р. – 33 СЛ КСВ (дослід “оплата по корму”); 2002 р. – (СП-1,2) – 105 СЛ із 14 комбінацій схрещування; 2004 р. – 33 СЛ КСВ; 36 СЛ ПСВ; (СП-1,2) – 105 СЛ із 14 комбінацій схрещування. Посів КСВ; ПСВ; КР проводився сівалкою СН-16 в оптимальні строки з міжряддями 15 см, ширина ділянки 1,65 см, облікова площа: КСВ–25м² (4-х кратна повторність); ПСВ–17м² (4-х кратна повторність); КР–6м² (2-х кратна повторність); СП(1,2)–1,8м² (2-х кратна повторність). Через 10 номерів висівався стандартний сорт Альбатрос одеський. У сортовипро­буванні (КСВ,ПСВ) і КР ділянки після дозрівання збирали комбайном “Сампо-500”, у СП (1,2) вручну й обмолочували на сноповій молотарці. Перед збиранням у всіх розсадниках і випробуваннях (по повторностях) брали 20 рослин (у F₁; F₂ збирали всі рослини), доводили їх до повітряно-сухого стану і в лабораторних умовах проводили структурний аналіз. При вивченні середовищних кореляцій (r_e) за внутрішньосортовими і внутрішньолінійними зв’язками до аналізу залучалися 100 рослин кожного із сортів: Левада; Доля; СЛ-9; Яна; Диканька; Фора; Манжелія; Коломак 3; Українка полтавська та ін.

Методи ідентифікації селекційних ліній і сортів озимої пшениці по якості зерна, по спектру запасних білків гліадинів та глютенінів: по якості зерна визначали: вміст сирої клейковини, якість сирої клейковини, показник седиментації, число падіння, загальний азот за методом К’єльдаля (Методичні рекомендації за оцінкою якості зерна, 1977). Генетичний аналіз спектрів запасних білків гліадинів та глютенінів виконаний у лабораторії якості Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН. Електрофорез гліадина за методикою Ф. А. Поперелі (1989), ідентифікація глютенінів – за допомогою каталога та номенклатури Пейна (1983).

Методи аналізу внутрішньосортової мінливості ДНК сортів і селекційних ліній озимої пшениці: проводили з використанням оцінки фрагментів ДНК, фланкованих мікросателітами (ISSR-ПЦР), в Інституті агроекології та біотехнології УААН (В.І. Глазко, Т.Т. Глазко).

Методи аналізу міжсортового поліморфізму ДНК сортів та селекційних ліній озимої пшениці в рамках оцінки фрагментів ДНК із використанням ПДАФ(AFLP) маркерів: проводили в рамках міжнародного співробітництва, з одного боку, співробітниками лабораторії селекції озимої пшениці Полтавської державної аграрної академії (Україна), з іншого – співробітниками Центру агрономічних досліджень провінції Ено, Бельгія (Centre of agronomic research of Hainaut province, Belgium).

Методи використання способу непрямої оцінки зимостійкості в селекційному процесі. При розробці способу непрямої оцінки зимостійкості сортів і селекційних ліній озимої пшениці (за реакцією на тривалість яровизації та чутливістю до фотоперіоду) використовували дослідження і методики Селекційно-генетичного інституту (А.Ф. Стельмах, 1981; В.І. Файт, 2003); експрес-метод В.Д. Мединця (1972, 1973, 1982) із штучної затримки часу відновлення весняної вегетації (ЧВВВ); результати дослідів наших досліджень за строками сівби СП (1,2).

Методи вимірювання ознак та обчислювання селекційних індексів: у структурному аналізі вимірювали та обчислювали наступні ознаки (по головному колосу): висота рослин, см (Н); кількість міжвузлів, шт. (КМ); довжина колоса, см (ДК); довжина верхнього колосоносного міжвузля, см (ДВМ); маса зерен із колоса, г (М₁); маса рослини, г (М₂); маса колоса з насінням, г (М₃); маса полови колоса, г (М₄); маса стебла, г (М₅); число зерен у колосі, шт. (ЧЗ або NG); маса 1000 зерен, г (МТЗ або WTG); кількість продук­тивних колосів на 1 м², шт. (ККМ); урожай зерна з 1 м², г; ц/га (У); урожай соломи, ц/га (УС); біомаса, ц/га (БМ). За цими мірними ознаками обчислювали селекційні індекси, які умовно ділили на 2 групи. Перша – достатньо відомі, які використовуються не тільки на озимій і ярій пшениці, але й на ряді інших сільськогосподарських культур, – горох, соя, кормові боби, чина, нут, соняшник (О. Б. Дьяков, 1982; 1983; М. М. Чекалін, В. Н. Алпатьєв, 1988; В. О. Драгавцев, 1982, 1984, 1994): – збиральний (НІ) – М₁/М_2; атракції (АІ) – М₃/М₅; мікророзподілів (Міс) – М₁/М₄; мексиканський (Мх) – М₁/Н; інтен­сивності (Si) – М₅/Н; щільності колоса (ЩК) – М₁/ДК. Друга група – нові, вивчені нами і запропоновані для використання в селекційному процесі: індекс потенційної продуктивності колоса (SPI) – М₁/М₃; полтавський індекс (РІ) – М₁/ДВМ; лінійна щільність колоса (ЛЩК) – ЧЗ/ДК. По кожній ознаці і селекційному індексу за роками і СП обчислювали середньоарифметичну (); варіансу (s²); ліміти варіювання (LV); генетичні коефіцієнти варіації (СV, %) (О. Г. Близнюченко, 2003; А. С. Молостов, 1966; П. Ф. Рокицький, 1974; А. Т. Опря, 1994).

Методи обчислення генетичних, екологічних (середовищних), парціальних кореляцій; генотипічних, фенотипічних варіанс; генетичних кореляцій у вузькому значенні та коефіцієнтів детермінаціі: генетичні коефіцієнти кореляції (r_q) визначали за міжлінійними зв’язками серед селекційних ліній, екологічні (середовищні) коефіцієнти кореляції (r_е) – за внутрішньосортовими та внутрішньолінійними зв’язками (П.Ф. Рокицький, 1974; Т.С. Фадєєва, 1980; Н.Д. Соколов та ін., 2000). При обчисленні парціальних кореляцій (r_qp) (О.Г. Близнюченко, 2003) використовували селекційні лінії урожаю різних років, у яких весняно-літній період був розбитий на 4 періоди. Коефіцієнти кореляції (r), статистичні показники та їх помилки обчислювали за допомогою комп’ютерної програми STATISTICA (В.П. Боровіков, Н.П. Боровіков, 1998; О.М. Царенко, Ю.А. Зюбін, В.Г. Скляр, С.М. Панченко, 2000). Для обчислення коефіцієнта кореляції ознак і індексів у вузькому значенні був використаний наступний підхід. У різних варіантах експерименту (роки, терміни посіву) за середніми показниками ознак та індексів окремих ліній обчислювали генетичну (адитивну) варіансу (G²_g), а в цілому за даними структурного аналізу усіх рослин випробовуваних ліній – фенотипічну варіансу (G²_ph)., яка включає адитивний і середовищний компоненти; h² визначали за відношенням генетичної варіанси до фенотипічної (З.В. Абрамова, 1992; В.Е. Альтшулер, А.Н. Поляков, 1969; Г.К. Дремлюк, В.Ф. Герасименко, 1991; Е.Р. Ауземус, Ф.Х. Мак-Ніл, Ю.У. Шмідт, 1970). Для обчислення коефіцієнта детермінації (d_q) використовували середні показники кожного з селекційних індексів (СІ) й ознак за роки і строки випробування всіх селекційних ліній за формулою d_q = G²_g/ G²_ph (Г.В. Гуляєв, А.П. Дубінін, 1974; Г.К. Дремлюк, В.Ф. Герасименко, 1992).

При ідентифікації й оцінці селекційних ліній за господарсько корисними ознаками та адаптивними властивостями був застосований кластерний аналіз (В.П. Боровиков і ін., 1998), який виконувався в модулі Cluster Analysis програм STATISTIСA. При побудові дендрограм використовувалися евклідова метрика і метод одиничного зв’язку.

Математичні статистичні методи: висновки про достовірність даних робили на основі статистики вибіркової сукупності за допомогою коре­ляційного, регресійного, дисперсійного та кластерного аналізів. Використову­вали програми Microsoft Excel, Agrostat, пакет програм ІСГМ, модуль Cluster Analysis програм STATISTIСA.

РОЗДІЛ 3.  ГЕНЕТИЧНІ І СЕРЕДОВИЩНІ КОРЕЛЯЦІЇ МІЖ КІЛЬКІСНИМИ ОЗНАКАМИ Й ІНДЕКСАМИ ТА ЇХ МІНЛИВІСТЬ У ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ

Виявлення кореляційних взаємозв’язків між ознаками або індексами широко використовується у вирішенні різних селекційних задач. Вперше В.О. Драгавцевим (1984) була встановлена значна мінливість генетичних кореляцій голов­них ознак, що визначають урожайність, залежно від умов середовища, які різко відрізняються. Для ряду кількісних ознак і індексів відзначено протилежний напрям генетичних кореляцій, з одного боку, і середовищних – з іншого при зміні конкретного лімітуючого чинника. На різних сільськогосподарських рослинах (пшениця, горох, нут, соняшник) спостерігали різнонаправленість генетичних і середовищних кореляцій, що відкриває можливість збільшення у декілька разів ефективність добору за господарсько корисними ознаками на ранніх етапах селекції (В.О. Драгавцев та ін., 1984; М.М. Чекалін та ін., 1987).

Одержані експериментальні дані з вивчення генетичних і середовищних кореляцій продуктивності (М₁) з іншими ознаками й індексами – число зерен (ЧЗ), маса 1000 зерен (МТЗ), маса колоса з насінням (М₃), довжина колоса (ДК), довжина верхнього міжвузля (ДВМ), висота рослини (Н), маса стебла (М₅), маса рослини (М₂), збиральний індекс (НІ), індекс атракції (АІ), мікророз­поділів (Міс) які вказують на їх широку мінливість залежно від генотипу, гомо- або гетерозиготності матеріалу, зовнішніх чинників, що вивчаються. Для підвищення ефективності добору і кращого оголення генетичного каркасу велике значення має пошук кореляцій, у яких генетичний (адитивний) компонент направлений в один бік (+), а середовищний – у протилежний (-). У нашому випадку до такого типу кореляцій можна віднести: M₁ – AI (r_g = .37...83, r_е ® 0); AI – H (r_g = .73…88, r_е ® 0); Mic – ДК (r_g = -.37…-52, rе ® 0); Mic – M₂ (r_g = -.15…-49, r_е = 0…+21); AI – Mic (r_g = .24…34, r_е = -12…-40).

Встановлено, що індекс атракції (AI) показав тісну або середню генетичну кореляцію з числом зерен у колосі (r_g = .46.…68), що вказує на його основний внесок у продуктивність колоса на ранніх фазах розвитку рослини озимої пшениці до фази наливу зерна. Індекс мікророзподілів (Mic) мав тісну кореляцію з масою 1000 зерен (r_g = .65….80), що орієнтує на досліджуваний відтік пластичних речовин від асимілюючої частини колоса до зерна, що формується, в основному, генним комплексом Mic, експресуючим у другій половині життя рослини пшениці, починаючи від фази цвітіння. Отримані дані певною мірою підтверджують висновки О. Б. Д’якова і В.О. Драгавцева (1975) про те, що AI і Mic контролюються незалежними один від одного генетичними системами. Це дає можливість шляхом гібридизації і добору поєднувати в одному генотипі високі показники за обома індексами – AI і Mic. Використання на ранніх етапах селекції озимої пшениці непрямого добору за оптимальним поєднанням у генотипі AI і Mic сприятиме підвищенню ефективності селекції на максимальну продуктивність колоса.