ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Розробка біотехнологічних методів і використання їх для створення вихідного селекційного матеріалу цикорію коренеплідного (Cichorium intybus L.) та буряків цукрових (Beta vulgaris L.)

Найважливішою проблемою агропромислового комплексу України на сучасному етапі є збільшення кількості рослинної сировини для одержання в різноманітному асортименті харчових продуктів, що дають змогу не лише збалансувати харчування людини, але й підвищувати захисні механізми і довголіття людського організму. Високопродуктивними культурами різнобічного використання, що відповідають вищезгаданим вимогам, є цикорій коренеплідний (Cichorium intybus L.), коренеплоди якого містять полісахарид інулін у кількості до 19% і до 2-3% фруктози, та буряк цукровий (Beta vulgaris L.), коренеплоди якого мають 17-19% цукру.

Успіх виробництва продукції визначається розробкою нових селекційних технологій створення високоврожайних сортів та гібридів даних культур.

Актуальність теми. Розвиток сучасної селекції цикорію коренеплідного і буряків цукрових та ускладнення селекційно-генетичних програм потребує пошуку нових нетрадиційних підходів і методів, які б дали змогу виявити всі потенційні можливості рослинного організму та в короткі строки отримати новий вихідний матеріал. Для прискорення процесу отримання рослинного матеріалу з комплексом господарсько цінних ознак необхідно використовувати досягнення сучасної біологічної науки і біотехнології зокрема. Інтенсифікація селекційного процесу можлива при удосконаленні схеми селекції за рахунок введення в загальну схему біотехнологічної ланки.

Використання біотехнологічних методів сприяє прискоренню вирішення питань з отримання як генетично ідентичних матеріалів визначених біовидів, так і нових його форм.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконували протягом 1994-2009 рр. у відповідності з Державною комплексною науково-технічною програмою "Цукрові буряки" за темами: "Розробити і удосконалити методи створення вихідних матеріалів, створити високопродуктивні сорти і гібриди цикорію коренеплідного" (номер державної реєстрації -- 0105U007448), "Розробити теоретичні основи створення нових генотипів цукрових буряків з використанням методів біотехнології, створити високопродуктивні гібриди, стійкі до комплексу біотичних і абіотичних факторів, та удосконалити технології виробництва коренеплодів і насіння" (номер державної реєстрації -- 0196U012876), "Цукрові буряки та малопоширені коренеплідні й технічні культури" (номер державної реєстрації -- 0196U012876) згідно тематичних планів Філіалу інституту цукрових буряків УААН (тепер -- Інститут коренеплідних культур УААН) та у відповідності з Державною програмою за темами: "Оптимальне використання природного і ресурсного потенціалу агроекосистем Правобережного Лісостепу України" (номер державної реєстрації -- 0100U004495), "Використання біотехнологічних методів в селекції цукрових буряків та цикорію коренеплідного" (номер державної реєстрації -- 0100U003375) згідно тематичних планів кафедри генетики, селекції рослин та біотехнології Уманського державного аграрного університету Міністерства аграрної політики України.

Мета і завдання дослідження. Основною метою роботи було вдосконалення технології селекційного процесу для вирішення проблеми створення вихідного матеріалу цикорію коренеплідного та буряків цукрових шляхом використання біотехнологічної ланки на основі встановлення закономірностей проходження морфогенетичних процесів в ізольованій культурі рослин цикорію коренеплідного, розробки біотехнологічних методів розмноження, збереження генетично сталих та індукції формування нових вихідних його форм, а також удосконалення біотехнологічних прийомів отримання гаплоїдних матеріалів та гомозиготних ліній буряків цукрових при стимуляції гаплоїдії.

Для досягнення цієї мети було поставлено на вирішення такі завдання:

- удосконалити технології селекційного процесу для створення вихідного матеріалу цикорію коренеплідного та буряків цукрових з використанням біотехнологічної ланки; - визначити особливості мікроклонального розмноження рослин цикорію коренеплідного (введення в культуру in vitro та стерилізація експланта, здатність до регенерації, активації розвитку меристем, проліферації, ризогенезу та адаптації до нестерильних умов росту та розвитку); - оптимізувати умови культивування різних генотипів цикорію коренеплідного в ізольованій культурі; - розробити прийоми адаптації культуральних рослин цикорію коренеплідного до умов ex vitro; - встановити вплив екзогенних та ендогенних факторів на індукцію калюсогенезу з різних типів експланта цикорію коренеплідного; - виявити оптимальні умови для розмноження та отримання нових вихідних рослинних форм цикорію коренеплідного при використанні калюсогенезу і морфогенезу (склад живильних середовищ, модифікація живильних середовищ регуляторами росту та основними неорганічними речовинами, режими культивування in vitro); - визначити режими ефективної регенерації рослин цикорію з калюсних тканин шляхом органогенезу і соматичного ембріоїдогенезу для отримання рослин-регенерантів; - з'ясувати вплив екзогенної абсцизової кислоти на індукцію соматичного ембріоїдогенезу калюсної біомаси цикорію; - провести аналіз морфологічних, цитогенетичних та агробіологічних особливостей рослинних матеріалів цикорію коренеплідного, отриманих у культурі in vitro; - підвищити вихід гомозиготних матеріалів буряків цукрових шляхом використання гіногенезу; - дослідити рівень спонтанної диплоїдизації гаплоїдних структур в ізольованій культурі та розробити методику отримання гомодиплоїдів шляхом індукованої диплоїдизації гаплоїдних матеріалів буряків цукрових; - визначити оптимальні умови депонування рослин для створення активної колекції та банку генетичних матеріалів цикорію коренеплідного і буряків цукрових; - удосконалити загальну селекційну схему отримання вихідних матеріалів цикорію коренеплідного та буряків цукрових; - отримати новий вихідний для селекції матеріал.

Об'єкт дослідження -- закономірності розвитку рослинного матеріалу та прояву господарсько цінних ознак у рослин цикорію коренеплідного при мікроклональному розмноженні, калюсогенезі і морфогенезі калюсної тканини та особливості отримання гаплоїдних і гомодиплоїдних ліній буряків цукрових у культурі in vitro як вихідного матеріалу для селекційного процесу.

Предмет дослідження -- біотехнологічні методи, вихідний матеріал цикорію коренеплідного з господарсько цінною ознакою конусоподібності кореня та гомозиготні чоловічостерильні та фертильні форми буряків цукрових.

Методи дослідження -- біотехнологічні, фізіологічні, цитологічні, агроекологічні, польові, статистичні.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше вирішено проблему удосконалення технології селекційного процесу з отримання вихідного матеріалу цикорію коренеплідного та буряків цукрових за рахунок використання біотехнологічної ланки для створення сортів і гібридів.

Вперше визначено оптимальні умови для мікроклонального розмноження, калюсогенезу та морфогенезу калюсної тканини рослин цикорію коренеплідного і експериментально обгрунтовано вибір експланта та умови його культивування, що забезпечує максимальний коефіцієнт розмноження та регенерацію рослин у культурі in vitro.

Розроблено модифіковані живильні середовища, які забезпечують різні напрямки розвитку рослинного біоматеріалу цикорію коренеплідного в ізольованій культурі: активацію розвитку меристем, розмноження, стимуляцію закладання генеративних пагонів у перший рік онтогенетичного розвитку, укорінення, індукцію калюсогенезу, органогенезу, соматичного ембріоїдогенезу та формування сомаклональних варіантів.

Доведено, що адаптація рослин у пробірках у культуральних кімнатах у порівнянні з проміжною адаптацією при використанні тепличного комплексу є ефективнішою і дає змогу скоротити термін та зменшити витрати на адаптаційні процеси при перенесенні вкорінених рослин цикорію з культури in vitro у природні умови вирощування.

Встановлено, що використання гіногенезу, зокрема запилення рослини-донора насіннєвих зачатків пилком виду Beta webbiana L., дає можливість підвищити вихід гаплоїдних та гомодиплоїдних рослин буряків цукрових для збільшення кількості генетично цінних гомозиготних ліній та ведення гетерозисної селекції.

Підтверджено явище спонтанної диплоїдизації рослин буряків цукрових при тривалому культивуванні клонованого матеріалу в культурі in vitro та встановлено оптимальний вміст колхіцину в живильному середовищі для індукованої диплоїдизації гаплоїдів і дигаплоїдів в ізольованій культурі, що дозволяє створювати вихідний гомозиготний чистолінійний матеріал.

Вперше визначено умови отримання та зберігання активної колекції селекційного матеріалу буряків цукрових та цикорію коренеплідного, що дає можливість формувати банк цінних генотипів, генетично ідентичних вихідним формам.

Розроблено селекційні схеми отримання вихідних матеріалів цикорію коренеплідного та гомозиготних ліній буряків цукрових з використанням біотехнологічних методів, що дає змогу інтенсифікувати і прискорити селекційний процес зі створення високопродуктивних сортів цикорію та гетерозисних гібридів буряків.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено нові технології селекційного процесу з отримання вихідного матеріалу для створення сортів цикорію коренеплідного та гетерозисних гібридів буряків цукрових, які включають біотехнологічні ланки.

Розроблено спосіб активації розвитку меристем і розмноження рослин цикорію коренеплідного, використання якого в селекційному процесі сприяє отриманню генетично ідентичного рослинного матеріалу (патент № 24325) та спосіб отримання генеративних пагонів цикорію в культурі in vitro для закладання квітконосних пагонів у перший рік онтогенетичного розвитку рослини (патент № 24324).

Обгрунтовано використання соматичного ембріоїдогенезу для створення цінних генетично стабільних вихідних форм цикорію коренеплідного.

Розроблено спосіб підвищення виходу гаплоїдних рослин буряків цукрових та удосконалено технологію отримання гаплоїдних та гомодиплоїдних ліній, що дає змогу скоротити термін отримання гетерозисних гібридів (патент № 24323).

Створено банк генетичних матеріалів та підібрано оптимальні умови підтримання активної колекції рослин буряків цукрових і цикорію коренеплідного для використання в селекційному процесі.

Розроблено методичні рекомендації зі стерилізації рослинного матеріалу цикорію коренеплідного при введенні експлантів у культуру in vitro та стимуляції розвитку генеративних пагонів рослин цикорію коренеплідного в культурі in vitro для використання студентами і викладачами навчальних закладів та фахівцями біотехнологічних лабораторій селекційних станцій та науково-дослідних інститутів, що займаються проблемами біотехнології, селекції і насінництва цикорію коренеплідногою.

Отримано новий вихідний селекційний матеріал цикорію коренеплідного та буряків цукрових, який використовується у фундаментальних та прикладних дослідженнях Інституту коренеплідних культур УААН, Всеросійського інституту цукрових буряків та цукру ім. Мазлумова РАСХН, Верхняцької дослідно-селекційної станції Інституту цукрових буряків УААН та Всеукраїнського наукового інституту селекції.

Отримано вихідний гомозиготний матеріал буряків цукрових, частину з якого використано при створенні гетерозисних гібридів на ЧС-основі Авторитетний, Русь 3 та Аграрний.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації самостійно визначилась з напрямами та тематикою досліджень, провела інформаційний пошук та проаналізувала дані літературних джерел вітчизняних та зарубіжних вчених, розробила концепцію програм, спланувала і провела експерименти, запропонувала нові ефективні методичні підходи, проаналізувала всі експериментальні дані, сформулювала висновки та рекомендації, підготувала до публікації наукові праці, а також впроваджувала результати досліджень у селекційну практику.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи щороку доповідались на засіданнях кафедри генетики, селекції рослин та біотехнології, вчених радах та методичних комісіях агрономічного факультету, а також наукових конференціях молодих вчених та науково-практичних конференціях Уманського державного аграрного університету 1997-2009 рр.; матеріали представлені на Міжнародній конференції "Молекулярна генетика та біотехнологія" м. Мінськ, 1998 р.; Міжнародній науково-практичній конференції "Нетрадиционное растениеводство, экология и здоровье" м. Сімферополь, 1998 р.; Міжнародній конференції молодих вчених "Dedicated to the golden jubilee of the double helix and 30 anniversary of the Institute of molecular biology and genetics NAS of Ukraine" м. Київ., 2003 р.; семінарі "Проблеми отримання та використання генетично модифікованих і клонованих організмів" м. Біла Церква, 2004 р; Міжнародній науково-практичній конференції "Генетичні ресурси для адаптивного рослинництва: мобілізація, інвентаризація, збереження, використання" м. Оброшино, 2005 р.; Міжнародному науковому семінарі молодих вчених "Стрес і адаптація рослин" м. Харків, 2005 р.; Міжнародній науково-практичній конференції "Аграрний форум - 2006" м. Суми, 2006 р.; Міжнародній науковій конференції "Біологія: від молекули до біосфери" м. Харків, 2007 р.; Міжнародній науковій конференції "Сучасні проблеми виробництва і використання рослинного білка: глобальні зміни та ризики" м. Вінниця, 2008 р.

Публікації. За темою роботи опубліковано 58 наукових праць, з них у фахових виданнях, що затверджені ВАК України, 24 статті. За результатами роботи отримано три деклараційних патенти на корисну модель, опубліковано 20 тез доповідей та видано шість методичних рекомендацій.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційну роботу викладено на 417 сторінках комп'ютерного набору, в тому числі 313 -- основного тексту. Дисертація складається зі вступу, десяти розділів, висновків, рекомендацій виробництву, додатків, списку використаних джерел з 514 позицій, з яких 218 -- латиницею, та містить 63 таблиці і 69 рисунків. У додатках 12 таблиць, один рисунок, акти випробування та впровадження результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Похожие статьи