Получение семян гибридов f1 дыни на основе линий с генной стерильностью

Подробности

Категория: Статьи

Получение семян гибридов f₁ дыни на основе линий с генной мужской стерильностью

 А.С. Соколов, А.Н. Бочарников, С.Д. Соколов

Астраханский Государственный университет

Государственное научное учреждение Всероссийский научно исследовательский институт, г. Камызяк ул. Тулайкова д. 10, кв. 14, 89275767496, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

При рассмотрении вопросов гибридного семеноводства нужно отметить особенности проявления пола у бахчевых культур.

Френкель Р., Галун Э. (1982) выделяли у цветковых растений 7 типов проявления пола для отдельного растения: 1) гермафродитный (обоеполый) – растение имеет только обоеполые цветки; 2) моноцийный (однодомный) – имеет тычиночные или пестичные цветки; 3) андроцейный – имеет только тычиночные цветки; 4) гинецейный – имеет только пестичные цветки; 5) андромоноцийный (андроцейно-однодомный) имеет обоеполые и тычиночные цветки; 6) гиномоноцийный (гинецейно – однодомный) – имеет обоеполые и пестичные цветки; 7) тримоноцийный – растение имеет три типа цветков: обоеполые, тычиночные, пестичные.

Polle C.F., Grimbball P.C. (1939) рассматривали характер наследования половых типов у дыни. По их мнению, контроль осуществляют 2 пары генов. Kubicki (1962, 1969) доработал эту теорию. Он считает, что за проявление половых типов у дыни ответственны 4 пары независимых генов, две известных – определяют тип цветения, а две другие форму завязи (от верхней до нижней). Это полностью соответствовало классификации из 15 половых типов, предложенной К.И. Пангало (1936) и генетически обосновывало предсказанные им половые типы.

Rosa (1928) считал, что у дыни моноцийный половой тип полностью доминирует над андромоноцийным типом и, что различия между двумя половыми типами обуславливаются одной парой аллелей. Абсолютное большинство отечественных сортов по половому типу являются андромоноцийными. Это осложняет семеноводство межсортовых гибридов F₁

Гибридное семеноводство имеет два основных способа получения семян – это искусственное опыление и естественное переопыление родительских форм. Эти способы имеют различные модификации, которые должны способствовать увеличению процентного выхода гибридных семян в общей массе и снижению затрат на их производство.

Искусственное опыление позволяет получать очень высокий процент гибридности (до 100%). Основными трудностями являются: высокие трудовые затраты, ограниченное, всего 4-5 утренних часов, время выполнения операции, низкая завязываемость плодов. При различных способах искусственного опыления, в зависимости от техники исполнения, времени проведения скрещивания, полового типа образцов, возраста растений – завязываемость различная.

Искусственное скрещивание с кастрацией обоеполых цветков обеспечивает почти полную (95-100%) гибридность семян, но при этом способе, из-за микроповреждений рыльца очень низкая завязываемость плодов. Если не проводить кастрацию гермафродитных цветков, то процент гибридности снижается до 84-86, хотя завязываемость возрастает из-за меньшего повреждения цветков.

При изоляции с вечера и после проведения скрещивания у моноцийных форм гибридность составляет 100%, но с выполнением этих операций очень низкая производительность труда – всего 100-120 опылений на одного человека. Проведение искусственных скрещиваний без изоляции обеспечивает лишь около 75% гибридности семян, но сокращает затраты труда на опыление в 1,9 раза. Опыление без изоляции, мужскими цветками собранными с вечера, сокращает затраты труда в 1,5 раза и гибридность составляет 86%. Проведение изоляции только после проведения скрещивания дает около 90% гибридных семян. Возможен еще один вариант проведения искусственного скрещивания, для чего в нераскрывшийся бутон женского цветка с вечера помещают невскрывшиеся пыльники. После чего цветок изолируют. Это позволяет получать завязывание до 25% и 100% гибридность семян. Однако все эти способы трудоемки и поэтому искусственное опыление используется для получения семян в ограниченных количествах, в основном на научные цели, и для приусадебных участков, реже, для небольших площадей производственных посевов.

Использование для получения гибридных семян вариантов со свободным опылением родительских форм позволяет значительно снизить затраты, но большинство из них не обеспечивает достаточного переопыления.

Дютин К.Е., Сизов В.Н. (1978) во ВНИИОБе разработали программу для расчета эффективности получения гибридных семян гетерозисных гибридов бахчевых культур при свободном опылении. Экономически оправдано выращивание, если количество гибридных семян не менее 50%, эффект гетерозиса при этом должен быть не ниже 15-20%. В этом случае, чтобы посевы были полностью гибридными, норму высева увеличивают в 2 раза, до 6-8 кг/га или по 8 семян в лунку. В зависимости от гибридности семян норма высева меняется.

При создании специализированных материнских линий для ведения гибридного семеноводства при свободном опылении, особенно при использовании способов, которые не позволяют получать абсолютного большинства гибридов F₁  (более 90%), желательно использовать заметный морфологический признак, который закрепляют у материнской формы. Различные исследователи предлагали признаки, которые могут быть маркерами: разрезнолистнсть, неопушенность побегов, желто-зеленая окраска листьев, пестролистность первых настоящих листьев (хлоротичная пестрота) и рецессивная окраска плодов материнской формы.

Было  предложено использовать в качестве маркерного признака для выбраковки негибридных растений дыни физиологический маркер – способность семян прорастать при минимальных (пониженных) температурах.

Из всех признаков «разрезнолистность» получила наибольшее распространение. Этот признак не оказывает влияния на жизнеспособность и продуктивность растения, достаточно легко отличим, позволяет провести браковку в фазе 3-4 настоящих листьев.

Естественное переопыление моноцийного сорта с андромоноцийным существенно выше, чем двух андромоноцийных сортов между собой. Использование легкомеханизируемых схем 1 и 2 дает очень низкое переопыление. Третий и особенно четвертый вариант повышают переопыление примерно на 10%, но имеет ряд технологических сложностей. Вариант 5 обеспечивает удовлетворительную гибридность, но выход семян будет очень маленьким и потому он не может иметь производственного значения. Очевидна необходимость каких-либо других мероприятий для повышения гибридности получаемых семян.

Эволюция методов получения семян гибридов при свободном опылении имеет определенное направление. Сначала было произведено разделение полов на растении, а потом проводилось подавление мужского пола. На первых этапах механически – обрывая мужские цветки на материнских растениях. Впоследствии, применяя химические вещества, меняющие сексуализацию растения. Новым этапом стало использование специальных генетических форм – поиск и создание женских линий или линий с пониженной мужской сексуализацией (гиномоцийных), а также форм с генной, цитоплазматической, функциональной мужской стерильностью.

Успехи, достигнутые при использовании женских линий огурца для получения гибридных семян, побудили к поиску таких форм у бахчевых. У дыни начали широкое изучение гиноцийных и гиномоноцийных форм. У гиноцийных сначала были большие трудности с размножением. Kubicki (1966) предложил 3 схемы размножения материнских форм, но они были довольно сложные. Использование гиббереллина на гиноцийных растениях для стимуляции мужского цветения оказалось не эффективно, зато AgNO₃ вызывал мужское цветение. Лозанов (1990) отмечает 2 способа размножения – путем прививки черенка женской линии на растения сорта Персийски 5 и обработкой нитратом серебра. Это вызывает цветение гермафродитных цветков, которые используют для опыления. Дютин (1976) описывает использование гиномоноцийных линий дыни. Для размножения он предлагает их самоопылять или опылять их гермафродитными. Описанные формы были невысоких вкусовых качеств, и отбор по этому признаку продолжается. В опытах Азарова (1989) при использовании линий женского типа гибридность составила 93%, у Лозанова (1971) до 100%. Использование гиномоноцийных линий у нас в опытах позволяло получать 75-80% переопыления.

Функциональная мужская стерильность отмечена из бахчевых только у дыни. При посеве чередующимися рядами отцовской формы и материнской – линии с ФМС, получают 97% гибридных семян. У арбузов такой формы стерильности не обнаружено.

Впервые мужскую стерильность у дыни описывают Bohn, Witaker (1949). Позднее, Bohn, Principe (1964) выделили второй неаллельный первому ген. Bhatacharya et al. (1970) в Индии использовали линии с мужской стерильностью у дыни для получения гибрида F_I. Foster R.E. использовал линии дыни с мужской стерильностью и генетическим маркером – неопушенность побегов, для получения гибридных семян.  При естественном переопылении гетерозиготной по мужской стерильности линии с сортовой линией получали более 75% гибридных семян.

В 1984 г. Во ВНИИОБе Дютин К.Е. обнаружил одно растение, имевшее стерильные мужские цветки. Выделенная форма с мужской стерильностью отличается от предшествующих. Плоды на растении хорошо развиваются и имеют нормальное количество выполненных жизнеспособных семян. Новый ген, не аллельный гену ms, был обозначен символом ms-2 (Дютин, Соколов, 1990).

При работе с генной мужской стерильностью нужно учитывать, что почти у всех видов растений, у дыни в том числе, ее проявление контролируется одним рецессивным геном. Генная мужская стерильность, в отличие от цитоплазматической, передается не только через женские, но и через мужские гаметы.

Проведенный обзор литературы показывает, что в настоящее время оптимальным вариантом для решения проблемы гибридного семеноводства у бахчевых культур является создание линий с генной мужской стерильностью и маркерным признаком.

Актуальность: в настоящее время все большую популярность приобретает выращивание новых гибридов дыни. Гибриды F₁  отличаются высокой урожайностью и устойчивостью к мучнистой росе.

В лаборатории селекции бахчевых культур создан целый ряд отличных сортов арбуза, дыни, тыквы, кабачка, патиссона, которые занимают достойное место на полях России и ближнего Зарубежья. Однако существующий сортимент  требует расширения за счет высокотоварных, продуктивных сортов раннего, ультрараннего и среднепозднего сроков созревания, с высокими потребительскими и технологическими качествами, толерантных к наиболее вредоносным болезням, а так же оригинальных сортов, специализированных к определенным условиям выращивания.

Селекция дыни направлена на создание сортов и гибридов F₁ с высокими вкусовыми качествами и хорошей транспортабельностью. Таковым является сорт Лада, который занял солидную площадь в Астраханской, Волгоградской, Ростовской областях и в Краснодарском крае. Основная ценность этого и других сортов дыни селекции ВНИИОБ – комплексная устойчивость к настоящей мучнистой росе, пероноспорозу и бахчевой тле. Последние два вредителя могут поражать наши сорта, но экономически их значимость не существенна.

Научная новизна и практическая значимость: изучены перспективные гибриды F₁  арбуза и отработаны элементы технологии гибридного семеноводства на основе специализированных материнских линий с оригинальной формой генной мужской стерильности. Внедрение результатов настоящей работы даст возможность семеноводам организовать эффективное гибридное семеноводство, а практикам-бахчеводам повысить продуктивность продовольственной бахчи при использовании новых гибридов арбуза.

В качестве исходного материала использована форма с генной мужской стерильностью – ген ms. Выделенная форма имеет стерильные мужские цветки, но при этом, обладает нормальной женской фертильностью, что позволяет получать нормальное количество выполненных жизнеспособных семян.

Исходными для передачи признака «стерильность мужских цветков» послужили линии, созданные в лаборатории селекции бахчевых культур ВНИИОБ. При их выведении особое внимание уделяли скороспелости, ранней дружной отдаче урожая, уровню потребительских качеств, устойчивости к мучнистой росе, наличию маркерного признака – разрезнолистность. (согласно методике РАСХН, 1993).

Опыты проводятся в полевых условиях по разработанным и рекомендованным методикам:

- Сортоизучение образцов по методике Государственной комиссии по сортоиспытанию

- Статистическая обработка полученных данных исследований проводится по методике Доспехова Б.А. (1979г)

Получение гибридных семян с использованием материнских линий с генной мужской стерильностью, согласно методике  РАСХН, 1993 г.

Фенотипическое проявление мужской стерильности у дыни

Выявлено два типа проявления стерильности мужских цветков на растениях с геном мужской стерильности:

тип I – бутоны усыхают, не раскрываясь;

 тип II – цветки раскрываются, содержат несформированные пыльники.

Гибридологический анализ наследования генной мужской стерильности у дыни

Обычно мужская стерильность у сельскохозяйственных культур наследуется рецессивно и контролируется одной парой генов. Гибридологический анализ наследования гена ms у дыни показал, что во втором поколении расщепление на фертильные и стерильные растения соответствует стандартному 3:1, с вероятностью 0,50-0,75, χ=0,25. При беккроссе гетерозиготы по гену ms расщепление соответствует стандартному 1:1, P=0,50-0,75, χ=0,6. Таким образом, ген ms наследуется как моногенный рецессив.

Особенности  размножения и поддержания специализированных материнских линий дыни с генной мужской стерильностью

Для размножения материнской линии высевают семена, полученные от искусственного опыления стерильной гомозиготы фертильной гетерозиготой по гену ms, дающее в потомстве смесь стерильных и фертильных растений в соотношении 1:1. Дальше можно использовать  два способа. В первом – в период массового цветения мужских цветков отмечают стерильные растения и оставляют для свободного переопыления. При созревании семена выделяют только с отмеченных растений. По второму способу – все растения без прорывки оставляют для свободного переопыления. С началом массового завязывания плодов проводят удаление всех мужски фертильных растений в 2-3 приема с интервалом 3-5 дней. При созревании проводится массовое выделение семян. Полученные семена будут давать в потомстве фертильные  и стерильные растения в соотношении 1:1.

Технологические особенности получения гибридных семян дыни на основе генной мужской стерильности

Для получения гибридных семян высевают чередующимися рядами материнскую форму, представляющую собой популяцию гетерозиготную по мужской стерильности, и отцовскую форму. С началом массового цветения мужских цветков проводят 2-3-х кратную прорывку фертильных растений материнской формы.

При выборе схемы размещения родительских форм нужно учитывать ряд моментов. Желательно иметь как можно больше растений материнской формы, однако нужно учитывать, что изменение соотношения рядов материнской и отцовской форм с 1:1 до 8:1 снижает процент переопыления с 95 до 65-75 %, хотя выход семян с единицы площади при этом увеличивается вдвое.

В своих исследованиях изучали схемы посадки О:М:М:О:М:М:О и О:М:О:М:О:М (О – отцовская форма, М – материнская форма). При этом гибридность получаемых семян колеблется от 92 до 95 %. Это хороший процент для производственных посевов, где негибридные растения будут удалены при прорывке по маркерному признаку в фазе 3-4 настоящих листьев.

Особенности проведения сортопрочисток в гибридном семеноводстве

Поскольку материнские линии с генной мужской стерильностью поддерживаются в виде гетерогенной популяции, состоящей из половинного соотношения фертильных гетерозигот и стерильных гомозигот, в семеноводческих посевах необходимо проведение браковки мужски фертильных растений материнской формы. Своевременное и качественное  проведение выбраковки фертильных растений влияет на гибридность получаемых семян, которая может изменяться с 68 до 95 %. При специальном подборе родительских форм незначительно различающихся по морфологическим признакам, возможно, оставлять товарные посевы без прорывки. Удаление 5-10 % негибридных растений возможно в производственных посевах при проведении прореживания в фазе трех-четырех настоящих листьев по маркерному признаку, что позволяет сделать посевы чистосортными.

На опытных делянках количество растений учитывается до начала прорывок, как на отцовских, так и на материнских линиях. Прорывка проводится в три этапа. Первую браковку выполняют с началом цветения мужских цветков на растениях материнской линии; вторую через 4-6 дней после первой, в зависимости от интенсивности развития растений; третью, спустя 3 дня после проведения второй. При выполнении третьей браковки необходимо удаление всех отстающих в развитии, не вступивших в фазу цветения, растений. Вместе с удалением фертильных растений на стерильных растениях обрывается завязь.

Оценка гибридности полученных семян

Оценку гибридности семян проводят в лабораторных условиях или в контрольных посевах на следующий год испытаний. В лаборатории посев и учет проводят в цветочных горшках, при поддержании оптимальной температуры и светового режима. Учет проводится по маркерному признаку –  рассеченной листовой пластинке, в фазе 3-4 настоящих листьев. Рассчитывается соотношение растений с рассеченной и цельной листовой пластинкой.