ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Еколого-генетичні аспекти селекції озимої пшениці в умовах лісостепу України

Генетичний вегетація зерно

Лівобережний Лісостеп України, що є одним із основних виробників продовольчого зерна озимої пшениці, характеризується континентальним кліматом часто з суворими зимами, затримкою весняної вегетації, літніми засухами і, в цілому, крайньою нестабільністю погодних умов у різні роки. Тому виробництво зерна озимої пшениці у великій мірі варіює по роках, а в окремі роки (1997, 2000, 2003) його виробництво скорочується у декілька разів, в основному, через слабку зимостійкість більшості сортів та їх недостатню стійкість до інших абіотичних і біотичних чинників середовища. Створення сортів озимої пшениці інтенсивного типу, адаптованих до варіювання умов зони Лісостепу України, вимагає нових специфічних підходів до розробки методів селекції цієї культури.

Теоретична і практична частина роботи з планування і проведення наукових досліджень зі створення сортів озимої пшениці для конкретних екологічних умов Лівобережного Лісостепу України базується на наукових досягненнях і практикних результатах провідних селекційних установ України, країн зарубіжжя, провідних селекціонерів: А. А. Сапегіна; П. П. Лук'яненка; В. М. Ремесла; Ф. Г. Кириченка; Д. О. Долгушина; В. І.Дідуся; І. К. Котка; І. Г. Каліненка; С. Ф. Лифенка; М. А. Литвиненка; А. П. Орлюка; В. В. Моргуна; В. В. Шелепова; Л. О. Животкова; М. І.Єльнікова; В. О. Драгавцева; М. М. Чекаліна; М. К. Радченко; В. І. Москаленка; В. І. Ковтуна.

Актуальність теми. Є цілий ряд публікацій з використання еколого-генетичного підходу в селекції озимої пшениці та інших зернових і зернобобових культур. На окремих сільськогосподарських культурах у різний час розроблялися напрями селекції, в основі яких було використання селекційних індексів. Індексна селекція відкриває широкі можливості аналізу мінливості, успадковуваності кількісних ознак при кореляційно-регресійному, багатовимірному аналізах, визначаючи шляхи пошуку та добору продуктивних генотипів за непрямими, маркерними ознаками, даючи змогу знайти такі, які можуть бути використані для індивідуального і групового добору на ранніх етапах селекції на продуктивність.

Особливої актуальності набуває пошук підходів і розробка селекційних методів в адаптивному їх прояві. Успіх селекції озимої пшениці на поєднання продуктивності й адаптивності у значній мірі визначається рівнем досліджень особливостей генетичного контролю мінливості кількісних ознак й індексів і характеру їх прояву при варіюванні умов середовища, а також наявності морфологічних, фізіолого-біохімічних, молекулярних критеріїв ідентифікації генетичної різноманітності.

Мета й завдання досліджень. Метою досліджень було теоретично обгрунтувати і практично реалізувати селекційну програму створення для умов Лівобережного Лісостепу України інтенсивних, напівінтенсивних сортів озимої пшениці, а також розробити нові методи добору з використанням непрямих, маркерних ознак і індексів на основі кореляційно-регресійного та кластерного аналізів, а також ідентифікувати селекційний матеріал за спектром запасних білків гліадинів, глютенінів та молекулярних маркерів ДНК.

У роботі ставилися наступні задачі:

    - дати характеристику ознак, селекційних індексів (відомих та виявлених у процесі досліджень) у сортів та ліній озимої пшениці за коефіцієнтами детермінації, варіації і генетичних кореляціях із продуктивністю; оцінити їх придатність для непрямого добору на врожайність; - проаналізувати генетичні та парціальні коефіцієнти кореляції між ознаками й індексами при зміні лімітуючих чинників середовища у ліній і сортів озимої пшениці; - використовуючи кореляційно-регресійний аналіз проаналізувати і виділити ознаки й індекси, які безпосередньо впливають на вихід зерна, довести можливість застосування їх у селекційних програмах по створенню сортів озимої пшениці; - провести пошуки групуючих ознак для кластерного аналізу; довести можливість використання цього методу в селекційно-технологічному циклі; дослідити вплив строків сівби і часу відновлення весняної вегетації на мінливість кількісних ознак і селекційних індексів у різних генотипів озимої пшениці; встановити параметри сортів для умов Лісостепу України за тривалістю періоду яровизації і чутливістю до фотоперіоду; - провести аналіз селекційних ліній озимої пшениці: по якості зерна; поліморфізму глютенінів та гліадинів; внутрішньосортовій мінливості і міжсортовому поліморфізму ДНК озимої пшениці з використанням оцінки фрагментів ДНК, фланкованих мікросателітами (ISSR-ПЦР) та із використанням ПДАФ (AFLP) маркерів; - розробити схему селекційного процесу і селекційну програму з озимої пшениці та моделі сортів озимої пшениці інтенсивного та напівінтенсивного типу для умов Лісостепу України.

Об'єкт досліджень: закономірності прояву взаємозв'язків продуктивності колоса з різними кількісними ознаками й індексами в процесі кореляційно-регресійного, кластерного аналізів; мінливості та успадковуваності ознак й індексів і ступеня їх стабільності за наявності або відсутності головних лімітуючих факторів середовища; створення на підставі цих закономірностей нових генотипів, що поєднують високу врожайність із високими адаптивними властивостями.

Предмет досліджень: різноманітний генетичний матеріал, сорти, гібриди (F1-F2), селекційні лінії (F4 - F22) озимої м'якої пшениці; мінливість генетичних кореляцій ознак і селекційних індексів (при групуванні міn, мах), успадковуваність, варіації за роками з урахуванням лімітуючих чинників середовища; поліпшення прогнозу врожайності на ранніх етапах селекції за величиною непрямих ознак і індексів; пошук маркерних ознак та індексів і використання їх для індивідуального й групового доборів; пошук і використання групуючих ознак у кластерному аналізі при ідентифікації селекційного матеріалу за рівнем стабільності господарсько корисних ознак, у тому числі врожайності. Спектри запасних білків гліадинів, глютенінів та молекулярних маркерів ДНК, пошук зчепленості поліморфізму з мінливістю господарсько корисних ознак.

Методи досліджень: генетичні; фізіологічні; біохімічні; молекулярні; методи варіаційного аналізу за проявом та мінливістю різних ознак і селекційних індексів у озимої пшениці; кластерний аналіз із використанням групуючих ознак; польовий метод.

Наукова новизна отриманих результатів. Доведена ефективність добору, з використанням кореляційно-регресійного аналізу, при групуванні рослин та селекційних ліній за величиною одного із компонентів кореляції та проведений пошук індексів із високим рівнем успадковуваності та тісною кореляцією з продуктивністю. Встановлено, що найбільше підвищення селекційного диференціалу (Sd) за продуктивністю забезпечує добір рослин і ліній за максимальною величиною одного із наступних індексів: полтавський (PI), збиральний (HI) та атракції (AI) в поєднанні з індексом мікророзподілів (Mic) або продуктивного потенціалу (SPI).

За результатами кореляційного, статистичного, кластерного аналізів та наступних сортовипробувань визначені параметри ряду ознак стебла інтенсивного сорту озимої пшениці для оптимальних умов середовища: висота - 80-85 см, кількість міжвузлів - 4,4-5,0; мінімальна довжина верхнього колосоносного міжвузля -35-38; маса стебла -1,5-1,8 г.

Широко впроваджена індексна селекція, пошук та ідентифікація нових індексів і ознак, які об'єднують високу генетичну й низьку середовищну варіанси з тісною кореляцією з урожайністю. Обгрунтований і запропонований для використання в селекційній практиці так званий полтавський індекс (PI), який характеризується тісною генетичною кореляцією з продуктивністю колоса озимої пшениці, високим рівнем генетичної мінливості та успадковуваності, простотою і швидкістю його вимірювання й може служити маркером високої продуктивності селекційного матеріалу на ранніх етапах селекції.

Вперше застосовано новий підхід до вирівнювання кореляційних зв'язків між урожаєм і ознаками колоса у селекційних ліній озимої пшениці з різним рівнем зимостійкості (за кількістю колосів на 1 м2 (ККМ) - парціальні кореляції), що дало можливість у більшості випадків виявити тісні генетичні кореляції ознак колоса з урожаєм зерна.

Вперше в кластерному аналізі було запропоновано використовувати групуючі ознаки: маса стебла (М5) і індекс лінійної щільності колоса (ЛЩК), які сприяли виділенню груп високоврожайних ліній із поліпшеними характеристиками ознак колоса і низькими показниками ознак вегетативної частини рослини. Встановлено, що на розподіл ліній за кластерами і групами впливали їх відмінності за адаптивною нормою реакції на строки сівби, на підставі чого селекційні лінії доцільно розподіляти на класи з високим, середнім і слабким гомеостазом. Запропонований селекційно технологічний цикл аналізу популяції F2, з використанням кластерного аналізу, який дозволяє відбирати від 4 до 22 % кращих за господарсько корисними ознаками рослин, звільняючись при цьому від неперспективних. Доведена можливість використання кластерного аналізу для підвищення ефективності рекурентних індивідуальних доборів високопродуктивних генотипів усередині селекційних ліній, яким властиві часткові гетерозиготність і гетерогенність.

Розроблений та впроваджений у селекційну програму озимої пшениці метод штучної затримки часу відновлення весняної вегетації (4В) для: виявлення рівня мінливості кількісних ознак та індексів при лімітуючих чинниках середовища; добору зимостійких генотипів та непрямій оцінці селекційного матеріалу по тривалості періоду яровизації.

Ідентифіковано ряд нових селекційних ліній та сортів озимої пшениці за спектрами запасних білків гліадинів і глютенінів та молекулярними маркерами ДНК із встановленням їх зв'язків із господарсько корисними ознаками й адаптивними особливостями.

У результаті проведеної автором роботи створено 4 нових, адаптованих до умов виробництва, сорти озимої пшениці, два з яких (Левада, Диканька) внесені до Державного реєстру сортів рослин України, а два (Фора, Манжелія) проходять нині державне випробування.

Практичне значення отриманих результатів. - Запропонований новий підхід в оцінці кореляційних зв'язків і встановлення їх генетичного рівня через варіювання кореляційних зв'язків між урожаєм зерна з одиниці площі та ознаками колоса (М1) за ознакою кількісті колосів на 1 м2 (ККМ), так звані парціальні кореляції. Розроблений і впроваджений у селекційний процес метод групування ознак та індексів на min, max рівні; запропонований селекційно-технологічний метод добору продуктивних генотипів на ранніх етапах селекції, з урахуванням генетичних кореляцій, за ознаками й індексами: маса стебла, довжина верхнього міжвузля, кількість міжвузлів, індекс атракції, збиральний індекс, полтавський індекс, індекс лінійної щільності колоса.

    - Обгрунтований і запропонований для використання в селекційній практиці так званий "полтавський індекс (PI)", який характеризується тісною генетичною кореляцією з продуктивністю колоса озимої пшениці, високим рівнем генетичної мінливості й успадковуваності, простотою і швидкістю його вимірювання й може служити маркером високої продуктивності селекційного матеріалу на ранніх етапах селекції, в рекурентній селекції, в первинних ланках насінництва. Удосконалені методичні підходи з використанням у селекційному процесі методу непрямої оцінки і добору озимої пшениці на морозозимостійкість, який дозволяє класифікувати сорти і селекційний матеріал за рівнем стабільності ознак та індексів, що визначає їх адаптивність. - Розроблені нові методичні підходи непрямого добору на продуктивність при використанні кластерного аналізу і перспективність застосування кластерного аналізу для міжлінійного, повторного індивідуального добору, а також для оцінки гібридних рослин озимої пшениці в поколінні F2. - Проведена ідентифікація селекційних ліній та сортів за якістю зерна, за спектром запасних білків гліадинів, глютенінів та молекулярним маркерам ДНК. - Створено ряд нових, адаптованих до умов виробництва, сортів озимої пшениці, два з яких внесені до державного реєстру (Левада, Диканька), а два інші проходять Державне випробування (Фора, Манжелія). Сорти широко впроваджуються і використовуються у виробництві в господарствах Полтавської та інших областей України. Крім того створений цінний селекційний матеріал озимої пшениці за морозозимостійкістю, продуктивністю, якістю зерна, скоростиглістю, стійкістю до вилягання, шкідників і хвороб, який дозволить наблизитися до вирішення одвічної проблеми - стабільного виробництва зерна озимої пшениці для складних за метеорологічними і кліматичними умовами північно-східних регіонів України.

Апробація результатів досліджень. Результати досліджень були представлені і доповідалися на міжнародних наукових конференціях та симпозіумах: "Селекція і насінництво зернових культур" (Росія. Зерноград, 2001); "200 років Полтавській аграрній науці" (Полтава, 2002); "Досягнення та перспективи сучасної селекції на забезпечення стабільного виробництва рослинного білка" (Луганськ, 2002); "Адаптивна селекція рослин: теорія і практика" (Харків, 2002); "Біологічні науки і проблеми рослинництва" (Умань, 2003); " Проблеми степового землеробства і рослинництва та їх вирішення в реформованих сільськогосподарських підприємствах" (Миколаїв, 2003); "Селекція та насінництво пшениці в Україні" (Одеса, 2004); "Проблеми та перспективи розвитку адаптивного землеробства в ХХІ столітті" (Херсон, 2004); "Сучасні технології селекційного процесу сільськогосподарських культур" (Харків, 2004); "Управління онтогенезом зимуючих рослин у світлі нових знань про екологічний ефект часу відновлення їх весняної вегетації" (Полтава, 2004); "Методи, шляхи та способи поліпшення якості продукції рослинництва" (Полтава, 2004); на наукових конференціях Полтавської державної аграрної академії 2000-2005 рр.

Особистий внесок дисертанта. Дисертантом особисто здійснено: інформаційний пошук і оцінка даних літератури; обгрунтовані нові теоретичні й експериментальні ідеї, викладені в дисертації, у тому числі створені сорти озимої пшениці Левада, Диканька, Фора, Манжелія, а також різноманітний селекційний матеріал на фоні еколого-генетичного підходу. В теоретичних питаннях добору на ранніх етапах селекції і практичної адаптивної селекції проведена значна кількість спеціальних методичних досліджень; основна частина експериментальної роботи базувалася на селекційній програмі лабораторії селекції озимої пшениці ПДАА. Автором особисто проведена інтерпретація та узагальнення отриманих результатів, а також сформульовані висновки і рекомендації, які відображені в опублікованих наукових працях.

Автору надавалася допомога у проведенні польових досліджень і лабораторних аналізів, у проведенні експериментів, пов'язаних з аналізом поліморфізму ДНК сортів озимої пшениці селекції ПДАА, Інститутом агроекології і біотехнології УААН; аналізу міжсортового поліморфізму ДНК сортів та селекційних ліній озимої пшениці в рамках оцінки фрагментів ДНК із використанням ПДАФ(AFLP) маркерів - співробітниками Центру агрономічних досліджень провінції Ено, Бельгія (Centre of agronomic research of Hainaut province, Belgium); визначенням спектрів запасних білків гліадинів та глютенінів - лабораторією якості Інституту рослинництва ім. В. Я. Юр'єва УААН. У визначенні якості зерна і фізичних властивостей тіста здобувачем використовувалися дані Державної комісії України з випробування й охорони сортів рослин.

Автор висловлює подяку колективу лабораторії селекції озимої пшениці ПДАА, а особливо щиро дякує науковому консультанту, доктору біологічних наук, професору Миколі Михайловичу Чекаліну за безцінну й істотну допомогу.

Зв'язок роботи з науковими планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася згідно з тематичними планами наукових досліджень Полтавської державної аграрної академії та у відповідності з комплексними державними науково-технічними програмами: на 1991-1995 рр. "Продовольство 95"; 1996-2000 рр. -"Зернові й олійні культури"; на 2001-2005 рр. -"Розробка нових методів адаптивної селекції озимої пшениці на основі еколого-генетичного підходу з використанням біотехнології створення сортів з урожайністю зерна 9,0 т/га, вмістом білка 15 %, клейковини - 35 %, числом падіння > 210 с., пристосованих для вирощування у зоні Лісостепу України." Державний реєстраційний номер - 0104U010763.

Публікації. Результати досліджень за темою дисертаційної роботи викладено у 34 наукових публікаціях, із яких 1 монографія, 26 статей у фахових виданнях та 2 авторських свідоцтва.

Структура та обсяг дисертаційної роботи: загальний обсяг роботи 377 сторінок. Дисертація складається зі вступу, десяти розділів (вісім з яких є експериментальною частиною роботи), загальних висновків, рекомендацій виробництву. Список використаних джерел включає 337 найменувань, із них 57 іноземною мовою. Дисертаційна робота ілюстрована 75 таблицями, 45 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Похожие статьи




ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Еколого-генетичні аспекти селекції озимої пшениці в умовах лісостепу України

Предыдущая | Следующая