Семенная продуктивность тетраплоидной кукурузы и пути ее повышения в условиях кабардино-балкарии

На правах рукописи

ХАТЕФОВ Эдуард Балилович Семенная продуктивность тетраплоидной кукурузы и пути ее повышения в условиях Кабардино-Балкарии Специальности: 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений, 03.02.07 – генетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Санкт-Петербург - 2012 2 Исследования проведены в ГНУ Кабардино-Балкарском научно исследовательском институте сельского хозяйства Россельхозакадемии в лаборатории селекции и семеноводства, в Краснодарском научно исследовательском институте сельского хозяйства им. П. П. Лукьяненко в лаборатории генетики и цитологии кукурузы, в лаборатории селекции и семеноводства научного учебно-производственного комплекса Кабардино Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова, в 1998 2010гг.

Официальные оппоненты:

Солодухина Ольга Владимировна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела генетики ГНУ Всероссийского научно – исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова Россельхозакадемии Батыгина Татьяна Борисовна, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, профессор, заведующая лабораторией эмбриологии и репродуктивной биологии Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН Макарова Галина Александровна, доктор биологических наук главный научный сотрудник отдела светофизиологии и биопродуктивности агроэкосистем ГНУ Агрофизического научно-исследовательского института Россельхозакадемии

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт зерновых культур им. И.Г. Калиненко Россельхозакадемии

Защита состоится 17 октября 2012 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 006 041 01 в ГНУ ВИР Россельхозакадемии по адресу: 190000, г. С.-Петербург, ул. Большая Морская 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова Россельхозакадемии Автореферат размещен на сайтах: http://www.vak.ed.gov.ru и http://vir.nw.ru «03» июля 2012г.

Автореферат разослан «» _ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.б.н. Гаврилова Вера Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Кукуруза (Zea mays L.) - одна из наиболее древних и распространенных в мире зерновых культур. По посевным площадям, начиная с 1999 года, кукуруза занимает первое место (146,098 млн. га.) оттеснив пшеницу и рис на последующие места (Шпаар, 2006). По данным ФАО во всем мире из кукурузы изготавливают более 500 различных основных и побочных продуктов (FAOSTAT Data Collections). В связи с постоянным увеличением населения планеты возрастает потребность в энергоемких и высококалорийных продуктах питания, такой культурой считается кукуруза.

Кукуруза третий по экономическому значению хлебный злак в мировом земледелии, в чем не маловажную роль сыграло ее постоянное селекционно–генетическое улучшение. Тетраплоидная кукуруза впервые получена в США в 1931г. Л.Ф. Рандольфом методом температурного шока.

Тетраплоидная кукуруза отличается от диплоидной мощным развитием всех органов растения, повышенной устойчивостью к абиотическим и биотическим факторам среды, высоким содержанием питательных веществ.

Легко скрещивается с диплоидной кукурузой и дикорастущим родичем кукурузы – теосинте Euchlaena perennis Hitch. При увеличении генома диплоидной кукурузы (2n=20х) до тетраплоидного (2n=40х) происходит удвоение всех аллелей генов, что в конечном итоге приводит к нарушениям процессов мейоза тетраплоидного растения и как следствие снижению ее семенной продуктивности. Наличие более двух аллелей в одном локусе тетраплоидной кукурузы значительно расширяет возможности как внутрилокусных, так и межлокусных взаимодействий, что может привести к максимализации гетерогенности и увеличению гетерозиса. Поэтому значение селекционно-генетического изучения тетраплоидных форм кукурузы актуально.

Ранние работы многих исследователей показали перспективность селекции тетраплоидной кукурузы, но ее низкая семенная продуктивность не позволяла быстро создавать коммерческие тетраплоидные сорта и гибриды, что резко снизило энтузиазм исследователей. Мнения ученых о причинах, вызывающих низкую семенную плодовитость тетраплоидов, разнятся.

Классическая концепция о причинах понижения семенной продуктивности основана на данных цитологии мейоза у автополиплоидов, который показал мультивалентную ассоциацию гомологичных хромосом. В результате этого в мейозе автополиплоидов, возникают гаметы с несбалансированным набором хромосом, которые и стали причиной снижения семенной продуктивности вследствие возникновения анеуплоидии. Аналогичная ситуация повторилась и на других экспериментальных тетраплоидах зерновых культур перекрестниках. Первые в СССР тетраплоидные генотипы кукурузы были получены В.К. Шумным в СО РАН, но более широкие исследования тетраплоидной кукурузы были начаты в 60-х годах В.С. Щербаком (1966 1973гг.) под руководством М.И. Хаджинова в Краснодарском НИИСХ им.°П.П. Лукьяненко. Им созданы первые популяции с широким генетическим полиморфизмом, которые были вовлечены в селекционный процесс и изучены в проведенных нами исследованиях. В Кабардино Балкарии основным приоритетным направлением развития в растениеводстве является семеноводство и товарное производство кукурузы, поскольку агроклиматические условия в республике являются самыми оптимальными, в сравнении с другими краями и областями РФ производящими кукурузу.

Урожайность зерновых культур в КБР с 2005г. имеет тенденцию к росту.

Поэтому создание прочной базы семеноводства кукурузы требует тщательной проработки селекционного материала по урожайности, устойчивости к воздействию экстремальных факторов среды, химического состава зерна и зеленой массы. Одним из направлений селекции кукурузы позволяющей сочетание всех перечисленных факторов - селекция тетраплоидной кукурузы. Первые опыты с тетраплоидной кукурузой в агроклиматических условиях Кабардино-Балкарии показали ее преимущества в сравнении с диплоидной по ряду селекционно-ценных признаков, что способствовало ускорению ее селекционной проработки. На основе селекционного материала полученного в результате проведенных исследований были созданы два новых сорта тетраплоидной кукурузы переданных в Госсорткомиссию РФ.

Представляет научный и практический интерес изучение роли генетического материала теосинте E. perennis Hitch. на проявление признаков продуктивности и устойчивости растений тетраплоидной кукурузы к экстремальным факторам среды.

Определение удельного веса цитогенетических и физиологических причин в снижении семенной продуктивности полиплоидов, а также разработке эффективных методов ее повышения продолжает оставаться одной из важных задач генетико-селекционных исследований этой культуры.

Цель работы Исследовать причины низкой зерновой продуктивности тетраплоидной кукурузы в сравнении с диплоидной кукурузой и разработать эффективные методы ее повышения в условиях Кабардино-Балкарии.

Задачи исследований - выявить особенности проявления признаков тетраплоидной и диплоидной кукурузы: зерновой продуктивности, устойчивости к экстремальным факторам среды, химического состава зерна, энергетической ценности;

определить коррелятивные связи элементов семенной продуктивности с морфобиологическими и цитологическими признаками тетраплоидной кукурузы;

- исследовать влияние генетического материала дикого сородича кукурузы Euchlaena perennis Hitchk. на конъюгацию хромосом тетраплоидной кукурузы и проявление признаков продуктивности и устойчивости гибридных растений тетраплоидной кукурузы;

- провести селекционно-генетический анализ гибридов от гетероплоидных скрещиваний;

- осуществить длительный позитивный отбор в тетраплоидных популяциях кукурузы по признакам, коррелирующим с семенной продуктивностью и устойчивостью к экстремальным факторам среды;

- создать ценный исходный материал для селекции и доноры признаков высокой семенной продуктивности, устойчивости к болезням, вредителям, засухе, заморозкам, полеганию, а так же высокого содержания белка и сахара;

- разработать рекомендации для селекции тетраплоидной кукурузы на повышенную семенную продуктивность;

- создать высокопродуктивные сорта и гибриды тетраплоидной кукурузы, устойчивые к засухе, весенним заморозкам, полеганию, высоким содержанием белка.

Научная новизна Впервые разработан метод получения высокопродуктивных сортов и гибридов тетраплоидной кукурузы на основе комплексного изучения и отбора в популяции ценных генотипов по определенным морфологическим и цитогенетическим критериям. Выявлены неизвестные ранее морфобиологические и цитогенетические особенности популяций тетраплоидной кукурузы с широким и узким генетическим полиморфизмом.

Впервые нами показано, что тетраплоидная кукуруза в условиях КБР превосходит диплоидную кукурузу по урожаю зеленой массы, содержанию белка и сахара в зерне, энергетической ценности, устойчивости к абиотическим факторам среды, а по урожаю зерна и устойчивости к биотическим факторам среды доведена до уровня диплоидной кукурузы.

Генетический материал дикорастущего родича кукурузы E. perennis Hitch., включенный в геном тетраплоидной кукурузы в отдельных случаях способствует повышению семенной продуктивности, устойчивости к стеблевому мотыльку, полеганию, ранневесенним заморозкам и засухе.

Установлены значения корреляции и линейных регрессий между зерновой продуктивностью, цитогенетических и морфологических признаков тетраплоидной кукурузы. Проведен генетический анализ расщепления признаков триплоидных гетерозиготных генотипов кукурузы, приводящих к снижению продуктивности початка при гетероплоидных скрещиваниях в тетраплоидных популяциях кукурузы. Впервые в условиях КБР проведена биохимическая и энергетическая оценка содержания белка, масла и сахара в зерне тетраплоидной кукурузы. Ряд линий превышает стандартный сорт диплоидной кукурузы по содержанию масла в зерне. Создана коллекция генотипов тетраплоидной кукурузы с ценными признаками для селекции новых засухоустойчивых, высокопродуктивных сортов и гибридов.

Практическая значимость работы Результаты исследований имеют значение для разработки теоретических основ селекции тетраплоидной кукурузы в условиях КБР, а так же создания селекционно ценных рекомбинантов и доноров эффективных генов устойчивости к экстремальным биотическим и абиотическим факторам среды.

Для условий КБР разработан новый метод комплексной селекции высокоплодовитых популяций тетраплоидной кукурузы для создания сортов и гибридов, превышающих диплоидные аналоги по продуктивности, устойчивости к биотическим и абиотическим факторам среды, высокому содержанию белка, масла, сахара, на основе морфобиологических и цитогенетических признаков. Среди новых рекомбинантов тетраплоидной кукурузы выделены генотипы-источники предпочтительной бивалентной конъюгации хромосом от дикого вида E. perennis Hitch. При этом источниками засухоустойчивости послужили экзотические расы кукурузы из стран Центральной и Латинской Америки: Dente Rio Grandese Rigoso, Cateto Sulino Grosso и Nal-Tel. Параметры экологической пластичности и стабильности, ОКС и СКС исследованных тетраплоидных популяций кукурузы показывают перспективность селекционного процесса в заданном направлении. Расширен и обогащен генетический полиморфизм популяций тетраплоидной кукурузы, представляющий практический интерес для селекционеров и исследователей как источника ценных признаков.

Теоретические разработки и исходный материал, выделенный из тетраплоидных популяций, генотипов и рекомбинантов с высокой зерновой продуктивностью и устойчивостью к стрессам, стали основой создания первых в отечественной селекции 2 сортов тетраплоидной кукурузы, которые переданы в Госсортоиспытание в 2010 г. Сорт тетраплоидной кукурузы Тетра-1 универсального назначения не уступает по урожайности зерна, а по урожаю зеленой массы превышает районированные сорта и гибриды диплоидной кукурузы. Сорт кукурузы пищевого назначения Баксанская сахарная, благодаря высокой урожайности, крупному початку и удлиненной форме зерновки, внесен в Госреестр селекционных достижений допущенных к использованию в 2012г.

Результаты работы имеют значение для частной генетики и цитологии кукурузы, селекции полиплоидной кукурузы.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Тетраплоидная кукуруза, в условиях Кабардино-Балкарии отличается от диплоидной по ряду селекционно ценных признаков, включая особенности морфологии, биохимического состава зерна и энергетической ценности, а так же устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам.

2. В повышении семенной продуктивности тетраплоидных популяций кукурузы имеют значение особенности течения мейоза, широта генетического полиморфизма и интрогрессивный генетический материал E.°perennis Hitch.

3. Эффективность нового метода комплексного позитивного обора на повышенную зерновую продуктивность и использование доноров засухоустойчивости экзотических рас кукурузы из стран Центральной и Латинской Америки для создания засухоустойчивых тетраплоидных популяций кукурузы с высокой экологической пластичностью и стабильностью, высокой ОКС и СКС.

4. Причинами снижения семенной продуктивности в свободном опылении тетраплоидной кукурузы могут быть нарушения плоидности зерновок возникающих при гетероплоидных скрещиваниях;

5. Создание ценного исходного материала для селекции сортов и гибридов тетраплоидной кукурузы и доноров с высокой семенной продуктивностью, устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам среды, с высоким содержанием белка, масла, сахара и энергетической ценностью.

Апробация работы Основные результаты работы доложены на заседаниях методической комиссии КБНИИСХ (2006-2010гг.).

Материалы исследований докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры общей биологии, экологии и природопользования и Научно учебно производственного комплекса Кабардино – Балкарского Государственного университета (НУПК КБГУ) в 2001-2006гг., на XXXVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1999), на Региональной научной студенческой конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-99» (Нальчик, 1999), на III Международной конференции «Биологическое разнообразие Кавказа» (Нальчик, 2001), на VI Всероссийской научно практической конференции. «Региональные проблемы устойчивого развития сельской местности» (Пенза, 2009), на Международной научно-практической конференции. «Золотое наследие академика ВАСХНИЛ М.И. Хаджинова» посв. 110-летию М.И. Хаджинова. (Краснодар, 2009). На Всероссийской научно-практической конференции «Роль генетических ресурсов и селекционных достижений в обеспечении динамического развития сельскохозяйственного производства», 2009, г. Орел, на III Международной конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов на Дону, 2009), на II-й Вавиловской международной конференции «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке», (С-Петербург, 2008), на IX конференции молодых ученых посвященной 15-летию Кабардино-Балкарского научного центра РАН (Нальчик, 2008), на Всероссийской конференции молодых ученых по современным технологиям и проблемам АПК в Адыгейском НИИСХ. (Майкоп, 2008), на Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития кукурузоводства в России» посв. 20-летию ВНИИК.

(Пятигорск, 2007), на 14-й Всероссийской научно-практической конференции посвященной 55-летию кафедры селекции и семеноводства ПГСХА (Пенза, 2010г.), на Международной научно-практической конференции «Биологическая защита растений, как основа экологическая и фитосанитарной стабилизации агроэкосистем». (Краснодар, 2010), на Всероссийской научной конференции с международным участием «Методы оценки сельскохозяйственных рисков и технологии смягчения последствий изменения климата в земледелии» (С-Петербург, 2011).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 49 научных статей в международных и отечественных научных журналах, сборниках НПК из которых 15 работ – в журналах из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ, 3 монографии и 1 методическая рекомендация.

Личный вклад автора Все результаты, представленные в работе, получены при участии автора в период с 1998 по 2010 год. При оформлении научных публикаций, постановке проблемы диссертации участие автора было определяющим.

Исследования проведены в разные годы при Кабардино-Балкарском государственном университете и Кабардино–Балкарском научно исследовательском институте сельского хозяйства Россельхозакадемии.

Соавтор - тетраплоидного сорта сахарной кукурузы пищевого назначения Баксанская сахарная допущенного к использованию (патент № 6335 от 01.02.2012) и проходящих Государственное сортоиспытание сортов тетраплоидной кукурузы Тетра-1 (№ 53302/9052733 от 30.11.2009) и сорта диплоидной восковидной кукурузы - Восковидная-1 (№ 53858/9052731 от 30.11.2009). При непосредственном руководстве защищена кандидатская диссертация Кагермазова А.М. по специальности 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа изложена на 329 страницах машинописного текста в компьютерном исполнении и состоит из введения, одиннадцати глав, выводов и предложений селекции, библиографического списка из отечественных и 310 иностранных авторов.

Работа включает 64 таблицы, рисунков, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Роль полиплоидии в селекции сельскохозяйственных растений Глава включает четыре основных раздела, касающихся происхождения и систематического положения кукурузы, описания ее сельскохозяйственного использования, истории происхождения тетраплоидной кукурузы, проблемам селекции аллоплоидов и автотетраплоидов, проблеме плодовитости тетраплоидной кукурузы.

2. Основные этапы проведения исследований 1960-1970 - создание исходных тетраплоидных популяций и их гибридизация с дикорастущим родичем кукурузы Euchlaena perennis Hitch.

(В.С. Щербак, ГНУ КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко).

1973-1998- поддержание тетраплоидных популяций в живом виде (ГНУ КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко).

1998-2010 - сравнительный анализ тетраплоидной и диплоидной кукурузы и отбор высокоплодовитых генотипов новым методом (Э.Б.°Хатефов, КБГУ).

2005-2010 – селекция засухоустойчивых тетраплоидных популяций испытание ОКС и СКС, экологическое испытание линий, сортов и гибридов тетраплоидной кукурузы, продолжение испытания нового метода отбора (Э.Б. Хатефов, А.М. Кагермазов, ГНУ КБНИИСХ РАСХН).

Для исследований тетраплоидной кукурузы в качестве модели было использовано шесть тетраплоидных популяций. Пять из них предоставлены КНИИСХ. Тетраплоидная популяция Синтетик В (Syntetic B), была создана Д.Е. Александером в США на опытной станции университета штата Миссури (США) как устойчивая к европейскому кукурузному мотыльку и бактериозу (табл. 1).

Таблица 1. Генетические компоненты тетраплоидных популяций полиморфизма генетического № популяции (количество Широта Доля линий) Линии генома составляющие популяции E. perennis 1 6 W64, ВИР116, ВИР38, Г23,ВИР40МВ, Гб627 Узкий полиморфизм 2 7 ВИР38, Г23, ВИР158, WF9, M14RT, Hy, Гб627 W64, WF9, Hy, M14RT, W155, ВИР116, ВИР38, 3 16 Г23, С103, ВИР44, ВИР158, Сг25, ВИР40МВ, 1/ Гб627, Гб300, (WF9xС103) Средний полиморфизм W64, WF9, Hy, M14RT, W155, ВИР116, ВИР38, 4 16 Г23, С103, ВИР44, ВИР158, Сг25, ВИР40МВ, 1/ Гб627, Гб300, (WF9xC103) 5 24 Syntetic B Широкий полиморфизм 6 26 Syntetic B, Кубанская консервная 1/ В качестве контроля (2n), были использованы гибрид Кавказ 412 СВ (St°1) и диплоидная популяция, выщепившаяся из тетраплоидной Краснодарская Тетра 1 (St 2), а с 2002г. только гибрид Краснодарский МВ. Для маркировки зерновок рецессивными генами в гетероплоидных скрещиваниях ( 4n 2n и 2n 4n), а также анализа содержания сахаров в зерне подвида сахарной кукурузы был использован диплоидный гибрид Ника 353 и тетраплоидный сорт Баксанская сахарная. Для определения влияния генетического материала E. perennis Hitch. на изучаемые признаки варианты были объединены в группы I и II. Группа I представляет собой среднее значение суммы вариантов № 1, № 2, № 5, которые не содержат генетического материала E. perennis Hitch. Группа II представляет средние значения суммы вариантов №3, №4, №6, которые содержат различные дозы генетического материала E. perennis Hitch.

Группы А, В, С, различаются по ширине генетического полиморфизма популяций, т. е. числу линий составляющих популяцию. К популяциям с узкой генетической основой были отнесены № 1 и № 2, их основа состояла из 6-7 линий, к популяциям со средним полиморфизмом - № 3 и № 4, их основа состоит из 16 линий и к популяциям с широким полиморфизмом - № 5 и № 6, которые созданы на основе 24-26 линий.

Фенотипические корреляции и коэффициенты линейной регрессии анализировали между морфологическими признаками и:

- зерновой продуктивностью;

- широтой генетического полиморфизма;

- числом бивалентов в мейоцитах.

Семенную продуктивность (озерненость и плодовитость початка) находили по отношению фактического числа зерен на початке к ожидаемому в %. Ожидаемое число зерен на початке находили методом подсчета семенных гнезд умноженных на 2, после обжига цветочных чешуй стержня початка кукурузы. Предварительно проводили обрушивание и подсчет фактического числа зерен. Разность между ожидаемым и фактическим числом зерен на початке есть показатель семенной продуктивности початка.

Таблица 2. Компоненты засухоустойчивых тетраплоидных популяций кукурузы, (Хатефов Э.Б, Кагермазов А.М. 2004/2010гг.) Компоненты Новые Часть Тетраплоидная тетраплоидные Часть генетического материала генетического популяция популяции экзотической расы материала В.С.Щербака E. perennis ПП 1-18 1, Dente Rio Grandese Rigoso – ПП 1-20 1, Tuxpeno 1 – ПП 1-22 1, Dente Rio Grandese Rigoso – ПП 2-18 2, 71-218L-185 – ПП 3-18 3, 71-218L-185 1/ ПП 4-20 4, Nal-Tel 1/ ПП 5-20 5, Cateto Sulino Grosso – ПП 5-22 5, Cateto Sulino Grosso – ПП 6-20 6, Nal-Tel 1/ ПП 6-22 6, Nal-Tel 1/ ПП 7-20 7, 71-218L-185 1/ ПП 7-22 7, Michoacan 21 1/ На основе изученных и выделенных по продуктивности популяций были созданы гибриды с различными экзотическими расами кукурузы из стран Латинской Америки, которые послужили основой для создания засухоустойчивых тетраплоидных популяций (табл. 2).

В качестве диплоидного стандарта использован гибрид Краснодарский 382МВ, характеризующийся повышенной засухоустойчивостью.

Компоненты новых засухоустойчивых тетраплоидных популяций и ее различные доли рассчитывались по мере насыщения возвратным скрещиванием (ВС) доли экзотической кукурузы в геноме популяций.

Например, популяция ПП 7-22 создана на основе высокоплодовитых линий выделенных из тетраплоидной популяции под номером 6 и содержание в ее гибридном геноме доли экзотической расы или теосинте составляет 1/2, при ВС2 - 1/4, при ВС3 - 1/8, при ВС4 - 1/16 и т. д.

В исследованиях использованы лабораторные, и полевые опыты в период с 1998 по 2010гг. Опыты заложены в предгорной зоне Кабардино Балкарии на территории НПО № 1 «НАРТАН» (влагообеспеченный фон) и в степной зоне НПУ № 2 «ОПЫТНОЕ» (засушливый фон) ГНУ КБНИИСХ Россельхозакадемии. В связи с тем, что в Госреестре селекционных достижений РФ на начало опытов не было районированных сортов и гибридов тетраплоидной кукурузы, для использования в качестве стандартов, тетраплоидные популяции сравнивали с диплоидным гибридом. В период с 1998 по 2002г в качестве контроля (2n) использованы гибрид Кавказ 412 СВ (St 1) и диплоидная популяция, выщепившаяся из тетраплоидной Краснодарская Тетра 1 (St 2), а с 2002 г. гибрид Краснодарский 415 МВ.

Для маркировки зерновок рецессивными генами в гетероплоидных скрещиваниях (4n 2n и 2n 4n), а также анализа содержания сахаров в зерне сахарной кукурузы использован диплоидный гибрид Ника 353 и тетраплоидный сорт кукурузы Баксанская сахарная. При выращивании тетраплоидных гибридов рядом с диплоидным стандартом, во время цветения метелок происходит опыление початков тетраплоидной кукурузы гаплоидной пыльцой стандарта и на тетраплоидных початках завязываются триплоидные зерновки без эндосперма. Аналогично опыляются и початки стандарта диплоидной кукурузы пыльцой тетраплоидных растений. При переопылении значения урожайности зерна снижаются, что приводит к искажению результатов опыта и ошибочной интерпретации его результатов.

Поэтому для объективного сравнения результатов опыта мы разместили еще один стандарт (Краснодарский 382 МВ) на изолированном участке, на расстоянии 500м, от основного посева (опыта) тетраплоидных гибридов. На изолированных участках (засушливый и влагообеспеченный фон) высевали гибриды тетраплоидной кукурузы на делянках площадью 9,8м2. Опыт был заложен в трехкратной повторности двухрядковыми делянками по схеме 70х35см. Густота стояния формировалась вручную, из расчета 50тыс./га или 49 растений на делянке. Делянки размещались в первой повторности систематически, а в других рендомизированно. Размещение опытов, и повторности были одинаковыми для обоих блоков. В этом опыте до выметывания метелок, учет и наблюдения были основными для обоих блоков опыта. На основном участке, где испытывались тетраплоидные гибриды кукурузы в сравнении с диплоидным стандартом, перед цветением мужских соцветий проводили обрывание всех метелок стандарта на каждом растении, чтобы избежать переопыления диплоидов и тетраплоидов. В дальнейшем учет и наблюдения после цветения и оплодотворения сравнивали с диплоидным стандартом на изолированном участке.

Для включения источников засухоустойчивости в геном тетраплоидной кукурузы в 2005г получено большое количество гибридов экзотических рас с тетраплоидными популяциями. На основе этих гибридов удалось заложить новые тетраплоидные популяции.

Схема получения засухоустойчивой тетраплоидной кукурузы по годам исследований:

1. 2005 г. Тестирование экзотических рас (2n) и тетраплоидных популяций (4n) на засухоустойчивость.

2. 2006 г. Гибридизация ( раса 2n популяция 4n), выделение нередуцированных гамет.

3. 2007 г. ВС1 ( раса 2n популяция 4n) популяция 4n.

4. 2008 г. Экологическое сортоиспытание новых популяций, проведение диаллельных скрещиваний между популяциями.

5. 2009 г. Анализ ОКС и СКС тетраплоидных межпопуляционных гибридов.

6. 2010 г. Анализ ОКС и СКС тетраплоидных межпопуляционных гибридов.

Для изучения засухоустойчивости семена проращивали в осмотическом растворе сахарозы, по 100 семян на 1 повторность, всего на каждый вариант 4 повторности. Концентрация сахарозы составляла 12 атм. (134г сахарозы на 100 мл воды). Вторым методом косвенной оценки на засухоустойчивость был тест жизнеспособности 3 мл пыльцы при ее подсушивании в термостате при 380С в течение 4 часов и окрашиванием раствором йода в йодистом калии (раствор Люголя). Затем подсушенной пыльцой опыляли по три початка в каждом варианте опыта. Осенью подсчитывали число завязавшихся семян, которые и являлись показателем засухоустойчивости. Третьим методом на засухоустойчивость изученных популяций являлось длительность разрыва в цветении метелки и початка на засушливом фоне. При этом подсчитывались разрыв в днях при массовом цветении метелок и початков на делянке. В нашем опыте были использованы тесты на урожай зерна в пересчете на т/га в полевых условиях без орошения в степной (засушливый фон) и предгорной (влагообеспеченный фон) зонах КБР. Для проведения цитогенетического анализа использовали методику окрашивания хроматина мейоцитов ацетокармином по Ромейсу (1954) и Паушевой (1970). Окрашивание и подсчет чисел хромосом в соматических клетках проводили по Фельгену с фуксинсернистой кислотой (Паушева, 1970). Для мацерации фиксированного материала использовали пектиназу от Aspergillus niger и целлюлазу от Trichoderma viride фирмы "SERVA". Анализ мультивалентных ассоциаций хромосом проводили по Дарлингтону (1965). Анализ содержания белка по микрометоду Кьельдаля, масла методом экстракции эфиром. Анализ структуры вегетативных, генеративных, репродуктивных органов проводили по методике ВИР и В.С. Щербаку (1973). Микрофотография выполнена по методике МГУ (1971). Фитопатологические исследования по методическим рекомендациям ВИЗР (Чумаков и др., 1974), диагностика устойчивости растений к стрессовым ситуациям по методическому руководству ВИР (1988). Расчеты энергетической эффективности проведены по М.К. Каюмову (1989). Фенологические наблюдения, промеры растений и учеты проводили по «Методическим указаниям по селекции кукурузы ВНИИК» (Днепропетровск, 1982) и Методическим указаниям ВИР «Изучение и поддержание образцов коллекции кукурузы» (Ленинград, 1985). Оценка комбинационной способности линий в схеме диаллельных скрещиваний – по 4 методу 1 модели Б. Гриффинга (Griffing В., 1956), определение экологической пластичности по методике В.З. Пакудина, Л.Н. Лопатиной (1984).

3. Характеристика морфобиологических признаков популяций тетраплоидной кукурузы Глава содержит три раздела сравнительного анализа морфобиологических признаков тетраплоидной и диплоидной кукурузы по вегетативным и репродуктивным органам. Результаты анализа выявили превышение значений морфобиологических признаков тетраплоидных популяций над стандартом по диаметру початка, массе 1000 зерен, площади и ширине листа, а по признакам фертильности пыльцы, семенной продуктивности початка, высоте растения, длине початка уступала стандарту. По другим признакам существенных различий выявлено не было.

Изучение значений коэффициентов фенотипической корреляции выявили связь морфобиологических признаков с широтой генетического полиморфизма, числом бивалентов и семенной продуктивностью початка.

Выявлена тесная корреляционная связь между семенной продуктивностью и фертильностью пыльцы (+0,9), числом зерен с початка (+0,9), высотой растений (+0,8), выход зерна с 1-го растения, длиной и шириной листа (+0,7;

+0,7), высоты прикрепления початка (+0,7), длиной початка (+0,7). Широта генетического полиморфизма обнаружила высокую корреляционную связь с такими признаками, как: высота прикрепления початка (+0,9), длина листа (+0,9), фертильность пыльцы (+0,8), высота растений (+0,7) и ширина листа (+0,7). Высокие значения корреляции обнаружены между числом бивалентов и фертильностью пыльцы (+0,7). Обнаружена тесная корреляция между широтой генетического полиморфизма и семенной продуктивностью початка (+0,7). Основным критерием определения семенной продуктивности початка является соответствие ожидаемой семенной продуктивности початка к фактической. Проведенные нами исследования показали, что значения семенной продуктивности початка в популяциях различаются, и имеют гораздо более низкий процент завязываемости зерен на початке, чем процент снижения фертильности пыльцы (табл. 3). При варьировании значения фертильности пыльцы в пределах от 80,5% до 87,1%, значение семенной продуктивности початка составило от 26,74% до 47,43%. При этом изменение значений урожайности у тетраплоидов имело от 66,68 до 99,20°ц/га. Если бы снижение продуктивности было ограничено только низкой фертильностью пыльцы, то фактический урожай (при пересчете урожая делянки на т/га) должен был составить не менее 100 ц/га.

Таблица 3. Анализ продуктивности тетраплоидных популяций кукурузы и фертильности пыльцы по вариантам опыта (Нальчик 1998/2000гг.) Урожайность зерна, Зерновая Фертильность Популяции т/га при14% влажн. продуктивность, % пыльцы, % St-1 16,4 80,84 94, St-2 9,72 63,82 91, №1 7,56 30,01 80, №2 6,66 36,17 82, №3 7,85 26,74 80, №4 8,66 37,88 85, №5 7,92 46,97 85, №6 9,92 47,43 87, I 7,38 37,71 82, II 8,14 37,35 84, А 7,11 33,09 81, В 7,26 32,31 83, С 8,92 42,70 86, НСР0,05 1,5 4,16 1, Можно предположить, что снижение фертильности пыльцы кукурузы тетраплоидных популяций не основная причина низкой продуктивности початка. При сравнении группы I (без E. perennis Hitch.) и II (с E. perennis Hitch.) можно заметить существенное влияние на повышение E. perennis Hitch. урожайности и фертильности тетраплоидной кукурузы (рис. 1).

Зерновая продуктивность в группе II (с E. perennis Hitch.) несколько снижена за счет низких показателей популяции № 3, но различия между группами находятся в пределах НСР =4,16, поэтому эти значения несущественны.

При анализе групп вариантов по широте генетического полиморфизма (группы А, В, С) видно, что расширение генетического полиморфизма ведет к росту значений, как фертильности, так и семенной продуктивности початка и, как следствие этого, наблюдается рост урожайности зерна (см. рис. 1). Эти факты позволяют думать о комплексном влиянии, как широты генетического полиморфизма, так и наличия генетического материала E. perennis Hitch. на рост семенной продуктивности тетраплоидной кукурузы.

Возможно, что этот признак контролируется взаимодействиями разных генов и зависит от комплексного действия всех изученных в опыте факторов.

Поэтому, проведение более тонкого анализа на разнообразном селекционном материале позволит внести ясность в решение этого вопроса. Исходя из результатов нашего анализа, можно предположить, что на продуктивность початка, в изученных популяциях, влияет в большей мере широта генетического полиморфизма, а затем частота бивалентной конъюгации в мейоцитах.

Рисунок 1. Влияние широты генетического полиморфизма на значения урожайности, выполненности и фертильности тетраплоидных популяций.

4. Реакция тетраплоидных популяций кукурузы на экстремальные факторы среды История пандемий происходивших в разное время на разных континентах показало, что наиболее эффективный способ борьбы с вредителями и болезнями это выведение устойчивых, высокоиммунных сортов и гибридов кукурузы. Селекция генетических доноров признаков устойчивости к вредителям и болезням является одной из актуальных задач современной селекции, а обнаружение и изучение таких доноров позволит избежать возможных эпифитотий. Основными вредителями и болезнями кукурузы в Кабардино-Балкарии считаются;

Ostrinia nubilalus Hbn-botus. – кукурузный мотылек, Heliothis obsolete Farb. - хлопковая совка, Ustilago zeae Beckm. – пузырчатая головня, Fusarium moniliforte Sheld.– фузариоз початка Изучение поражаемости болезнями и повреждаемости вредителями проводилось на естественном фоне в отдельные годы высокой активности вредителей и болезней. К таковым относятся 2005 (поражение болезнями) и 2010 (повреждения вредителями) годы (табл. 4), когда отмечалась высокая активность вредителя по Южному Федеральному округу и Северо Кавказскому региону.

Таблица 4. Устойчивость популяций тетраплоидной кукурузы к биотическим факторам среды, (Нальчик 2005, 2010гг.) Устойчивость к Популяции ФП, % ± St ПГ, % ± St ХС, % ± St СМ, % ± St 2005г. 2005г. 2010г. 2010г.

St 1 100 - 100 - 100 - 100 №1 85,8 -14,2 93,0 -7,0 102,5 2,5 106,6 6, №2 101,9 1,9 92,6 -7,4 100,7 0,7 104,9 4, №3 73,7 -26,3 101,6 1,6 95,1 -4,9 98,0 -2, №4 100,5 0,5 107,2 7,2 92,0 -8,0 101,6 1, №5 81,0 -19,0 84,9 -15,1 87,7 -12,3 95,2 -4, №6 79,5 -20,0 88,6 -11,4 89,4 -10,6 106,5 6, I 89,5 -10,5 90,1 -9,9 96,9 -3,1 102,2 2, II 84,5 -15,5 99,1 -0,9 92,1 -7,9 102,0 2, А 93,8 -6,2 92,8 -7,2 101,6 1,6 105,7 5, В 87,1 -12,9 104,4 4,4 93,5 -6,5 99,8 -0, С 80,2 -19,8 86,7 -13,3 88,5 -11,5 100,8 0, ФП – Фузариоз початка;

ПГ –Пузырчатая головня;

ХС – Хлопковая совка ;

СМ – Стеблевой мотылек Наблюдениями было замечено, что генотипы кукурузы, с опушенным стеблем и закрытой верхушкой с плотными обертками початков, слабо поражались совкой, тогда как образцы с выступающими над обертками початками не опушенным стеблем сильнее поражались совкой. Популяции тетраплоидной кукурузы показали относительно стандарта большую восприимчивость к болезням и повышенную устойчивость к вредителям.

Возможно, что это связано с более плотной и жесткой тканью листьев и стебля тетраплоидной кукурузы, которое труднее прогрызается вредителями.

По устойчивости к фузариозу початка выделены популяции № 2 и № 4, по устойчивости к пузырчатой головне - № 3 и № 4, по устойчивости к хлопковой совке -№ 1 и № 2, к стеблевому мотыльку- № 1, № 2, № 4, № 6. По признаку устойчивости к хлопковой совке группы I и II имеют равные значения. Популяции с различной широтой генетического полиморфизма относительно стандарта показали повышенную устойчивость растений кукурузы в группе В к пузырчатой головне, группы А к хлопковой совке и групп А и С к стеблевому мотыльку.

Для возможной передачи линиям кукурузы признака устойчивости к стеблевому мотыльку были использованы образцы теосинте с признаком опушенности стебля. Всего из потомства гибрида между теосинте и кукурузой было выделено более 50 вариантов линий с различной степенью опушенности стебля (см. рис. 2). Опушение на растениях кукурузы, в основном, проявляется в поздние сроки развития. В этот период наблюдается лет стеблевого мотылька второго и третьего поколений. Поэтому важно создание генотипов способных проявлять этот признак в более ранние фазы развития.

Рисунок 2. Опушенный стебель теосинте (слева) и неопушенный - кукурузы (справа) и среднеопушенный, высокоустойчивой к стеблевому мотыльку кукурузы (в центре).

Оценка на естественном фоне на повреждаемость растений кукурузным мотыльком показала также и различную степень восприимчивости к этому вредителю, поскольку развитие опушения на стебле проявляется у различных генотипов в различные периоды фенологических фаз, начиная с фазы выметывания початка до фазы восковой спелости зерна. Среди изученных в опыте линий было выделено 6 линий отличившихся стабильной устойчивостью к повреждению, к стеблевому мотыльку. Наравне с устойчивостью к мотыльку генетический материал теосинте способствует проявлению признака многопочатковости у кукурузы, который имеет важное значение при селекционном улучшении кукурузы (см. рис. 3). Характерной особенностью многопочатковых популяций кукурузы созданных с участием теосинте стало синхронное цветение всех ярусов початков на растении, тогда как в популяциях кукурузы без теосинте початки на стебле цветут поочередно. Такое цветение вызывает слабую озерненость нижних початков, поскольку они не успевают зацвести (выброс рылец) до окончания цветения мужского соцветия. Селекционное улучшение кукурузы в связи с изменением климата требует от селекционеров поиска новых форм кукурузы, способных формировать высокие урожай зерна за счет использования новых агроклиматических условий роста. При этом следует тщательно отбирать генотипы устойчивые к новым популяциям вредителей и возбудителям болезней кукурузы, которые неизбежно сопутствуют изменению климата.

Для достижения этих целей достаточно эффективными являются использование традиционных методов селекции с привлечением селекционного материала обладающего широким полиморфизмом хозяйственно-ценных признаков.

Рисунок 3. Влияние генетического материала теосинте на проявление признака многопочатковости популяций кукурузы.

Оценку устойчивости популяций тетраплоидной кукурузы к засухе проводили в засушливый 2010г., а к возвратным весенним холодам и полеганию в 2005г. полученные результаты показали абсолютное преимущество тетраплоидных популяций кукурузы в сравнении с диплоидным стандартом во всех вариантах (табл. 5).

Таблица 5. Устойчивость популяций тетраплоидной кукурузы к абиотическим факторам среды ( Нальчик 2005, 2010гг.) Устойчивость к Холоду Полеганию Популяция Засухе, % ± St ± St ± St % % 2010г. 2005г. 2005г.

St 100 - 100 - 100 №1 113,7 13,7 144,9 44,9 106,3 6, №2 111,5 11,5 118,3 18,3 104,5 4, №3 118,9 18,9 118,0 18,0 104,9 4, №4 125,5 25,5 138,5 38,5 110,6 10, №5 121,0 21,0 152,0 52,0 115,0 5, №6 127,1 27,1 151,5 51,5 109,9 9, I 115,4 15,4 138,4 38,4 108,6 8, II 123,8 23,8 136,0 36,0 108,4 8, А 112,6 12,6 131,6 31,6 105,4 5, В 122,2 22,2 128,2 28,2 107,7 7, С 124,0 24,0 151,7 51,7 112,4 12, Из изученных популяций максимальное значение устойчивости к засухе имела популяция № 6, и близкие к ней значения популяций № 4 и №5.

По холодостойкости выделена популяция №5, и близкая к ней популяция№6.

Изучение устойчивости к полеганию и перестою растений на корню в поле позволило выделить популяцию № 5 как максимально устойчивую.

Возможно, что морфобиологические особенности тетраплоидной кукурузы (мощная корневая система, толстые стебель, лист, стержень початка), способны накапливать и удерживать больше влаги, чем растения диплоидной кукурузы, что в свою очередь способствует ее повышенной устойчивостью к засухе. Повышенная концентрация сахаров в клеточном соке проростков тетраплоидной кукурузы способствует устойчивости к кратковременным заморозкам на начальных этапах органогенеза, а утолщение стенок сосудов и плотность тканей стебля способствует устойчивости к полеганию и перестою на корню (более 30 дней) в поле.

5. Цитогенетический анализ и его связь с семенной продуктивностью тетраплоидной кукурузы Изучение мейоза тетраплоидной кукурузы показало, что его ранние стадии протекают так же, как и у диплоидной кукурузы, за исключением стадии диакинеза, где у тетраплоидов хромосомы образуют мультивалентные ассоциации в виде унивалентов, бивалентов, тривалентов и квадривалентов.

У диплоидной кукурузы образуются только бивалентные ассоциации хромосом. Как показал подробный анализ числа хиазм хромосом в мейоцитах, в каждой популяции наблюдается изменчивость суммарного числа хиазм на мейоцит (табл. 6). Так число 3 хиазм на мейоцит (%) по вариантам опыта варьирует в пределах от 18,59 (№ 5) до 15,5 (№ 6), при увеличении числа хиазм до 4 варьирование возрастает, и находиться в пределах от 47,6 (№ 3) до 48,83 (№ 6). При дальнейшем росте числа хиазм в мейоцитах наблюдается спад. Так при 5 хиазмах показатели находятся в пределах от 30,35 (№ 6) до 23,67 (№ 4), а при 6 хиазмах от 6,48 (№ 3), до 3, (№ 4). При анализе изменения значений числа хиазм от широты генетического полиморфизма популяций, каких либо закономерностей не выявлено, но при сравнении между популяциями, содержащими генетический материал Euchlaena perennis Hitch. и без него, удалось проследить не значительные отличия. Так, суммы числа хиазм на хромосому по вариантам, содержащим генетический материал E. perennis Hitch. (группа I), обнаружило повышенное содержание 5 и 6 хиазм, и пониженное 3 и хиазм относительно числа хиазм на хромосому в варианте без генетического материала E. perennis Hitch. (группа II). Возможно, присутствие генетического материала E. perennis Hitch. в этой группе, способствует разрыву хиазм. А поскольку наличие меньшего числа хиазм разорвать легче, то этим можно объяснить более низкие значения числа 3 и 4 хиазм в этой группе. Очевидно, что снижение квадривалентных ассоциаций с 3 и хиазмами в группе II объясняется действием генов расширенной хиазменной интерференции, которая вынуждает формировать в диакинезе два бивалента, либо бивалент и два унивалента, либо тривалент и унивалент, либо четыре унивалента вместо одного квадривалента.

Таблица 6. Число хиазм в мейоцитах тетраплоидных популяций кукурузы ( Нальчик 2000г.) Число хиазм (%) Популяции 3 4 5 №1 15,98 52,69 25,73 5, №2 18,66 54,22 23,07 4, №3 18,08 47,60 27,79 6, №4 19,34 53,29 23,67 3, №5 18,59 55,97 21,67 3, №6 15,50 48,83 30,35 5, I 17,74 54,28 23,49 4, II 17,64 49,90 27,27 5, А 17,32 53,45 24,4 4, В 18,71 50,44 25,73 5, C 17,04 52,40 26,01 4, НСР0,05. 0,34 0,76 0,78 0, Анализ значений корреляций показал, что при наличии пяти и трех хиазм на хромосому семенная продуктивность имеет положительную связь, тогда, как при шести и четырех хиазмах это значение становится отрицательным (табл. 7). Эта тенденция сохраняется и для значения числа бивалентов на клетку. Для широты генетического полиморфизма популяций подобной закономерности не наблюдается. Влияние числа хиазм на семенную продуктивность початка варьирует в пределах от r = +0,37 до r = 0,40. При этом отрицательное максимальное значение наблюдается при хиазмах, а положительное максимальное значение при 3 хиазмах на хромосому. Поскольку обнаруженная связь между числом бивалентов и числом хиазм не может не повлиять на образование квадривалентов, то это возможно отразится на сумме бивалентов и квадривалентов на клетку и их коррелятивную зависимость с основными анализируемыми параметрами.

При анализе значений корреляции было обнаружено, что продуктивность початка и широта генетического полиморфизма положительно коррелирует с числом бивалентов и отрицательно с числом квадривалентов.

Корреляционные связи для семенной продуктивности початка имеют примерно одинаковые значения, но разные знаки зависимости. Так, при увеличении числа бивалентов возрастает и величина продуктивности початка, а при росте квадривалентов этот показатель снижается (r = -0,99).

Расширение генетического полиморфизма больше способствует снижению числа квадривалентов, чем увеличение числа бивалентов в мейоцитах. Это можно объяснить тем, что кроме бивалентов могут образовываться триваленты или униваленты. На основании полученных результатов можно заключить, что материал теосинте E. perennis Hitch. действительно способствует "диплоидизации" тетраплоидной кукурузы.

Таблица 7. Значения корреляций между плодовитостью початка и цитологическими признаками тетраплоидной кукурузы (Нальчик 2010г.) Варианты Широта Число Признаки Семенная генетического бивалентов в продуктивность полиморфизма мейоцитах 3 хиазмы +0,40,05 -0,010,06 +0,20, Число хиазм в 4 хиазмы -0,40,05 -0,30,05 -0,60, мультивалентных ассоциациях 5 хиазм +0,30,06 +0,30,06 +0,20, хромосом 6 хиазм -0,40,05 -0,10,06 -0,30, I+III -0,50,05 +0,10,06 +0,0020, Валентность хромосомных II +0,30,05 +0,40, ассоциаций IV -0,30,05 -0,80,02 -0,990, 10-11 -0,50,04 -0,40,05 -0,90, 12-13 +0,20,06 -0,40,05 -0,70, Число мультивалентных 14-15 +0,10,06 +0,40,05 +0,90, ассоциаций 16-17 +0,10,06 +0,10,06 +0,70, 18-19 +0,80,01 +0,80,02 +0,50, Отсюда можно предположить, что подобная закономерность не может не отразиться на числе хромосомных ассоциаций и их частотах в диакинезе мейоцитов. Согласно анализу хромосомных мультивалентных ассоциаций в микроспороцитах тетраплоидной кукурузы, в популяциях E. perennis Hitch.

(группа II) частота предпочтительного бивалентного типа конъюгации выше, чем в группе I (см. рис. 4).

Рисунок 4. Число мультивалентных ассоциаций хромосом на мейоцит по группам опыта Поскольку число хромосомных ассоциаций и число бивалентов в диакинезе мейоцитов имеют максимальное варьирование корреляции (от 0,94 до +0,91), то здесь можно говорить об определенной закономерности. В свою очередь наличие в мейоцитах различных хромосомных ассоциаций от унивалентов до квадривалентов отразилось на частотах метафазных конфигураций хромосом по схеме предложенной С. Д. Дарлингтоном (1956) (табл. 8). Анализ метафазных конфигураций хромосом в мейоцитах по каждому варианту опыта обнаружил, что распределение их частот имеет разные значения для каждого варианта. Возможно, присутствие большей доли генетического материала E. perennis Hitch. позволило бы четче определить степень ее влияния на конфигурации мультивалентных ассоциаций, поскольку в F1 гибридов между тетраплоидной кукурузой и E.

perennis Hitch. генетическая регуляция мейоза осуществляется рецессивными генами, действие, которые в гетерозиготном состоянии тетраплоидного генома затруднены. Поэтому в изученных популяциях, определить какую либо четкую зависимость частот хромосомных конфигураций от содержания генетического материала E. perennis Hitch. или широты генетического полиморфизма трудно. Можно предположить, что этот показатель имеет либо случайное распределение, либо слабо проявлено недостаточное число генов регулирующих мейоз от теосинте E. perennis Hitch.

Таблица 8. Средние арифметические значения частот метафазных конфигураций квадривалентов в мейоцитах тетраплоидных популяций кукурузы (1998-2001гг.) Метафазные Число Популяции (X) хиазм конфигурации хромосом №1 №2 №3 №4 №5 №6 I II A B C 0,64 0,77 0,92 0,66 0,77 0,65 0,72 0,74 0,70 0,79 0, 0,23 0,21 0,26 0,20 0,36 0,17 0,27 0,21 0,22 0,23 0, 0.33 0,34 0,10 0,38 0,18 0,20 0,28 0,23 0,34 0,24 0, 0,69 0,79 0,64 0,53 0,97 0,63 0,82 0,60 0,74 0,58 0, 0,82 0,90 0,65 0,64 1,18 0,59 0,97 0,63 0,86 0,65 0, 0,73 0,84 0,51 0,75 0,70 0,50 0,76 0,59 0,79 0,63 0, 1,71 1,35 1,58 1,52 1,09 1,54 1,38 1,54 1,53 1,55 1, 1,67 1,40 1,88 1,39 1,29 1,87 1,46 1,71 1,54 1,64 1, 0,25 0,24 0,10 0,13 0,23 0,15 0,24 0,13 0,2 0,11 0, 6 0,40 0,28 0,46 0,23 0,26 0,35 0,31 0,35 0,34 0,34 0, Анализ соматического набора хромосом, проведенный на корешках проростков, кукурузы показал, что тетраплоидные популяции имеют отклонения хромосомных чисел, как в большую, так и в меньшую стороны (табл. 9). Чаще всего встречаются отклонения менее 40 хромосом (38, 36), тогда как отклонения хромосомных чисел больше 40 хромосом (до 42) встречаются реже, а отклонения больше 42 хромосом не было обнаружено ни в одной популяции. Наибольшая стабильность хромосомных чисел отмечена в популяции № 5, где этот показатель равен 100% из просмотренных клеток.

Другие варианты имеют отклонения различной величины. По группам вариантов небольшое преимущество по частоте отклонений от 40 хромосом имеется в группе II.

Таблица 9. Соматические числа хромосом в корешках проростков кукурузы тетраплоидных популяций кукурузы, 2000г.

Соматическое число хромосом (%) Число Популяции клеток 36 38 40 42 №1 0,9 0,9 96,4 1,8 - №2 - 1,49 97,7 0,74 - №3 0,81 1,63 95,9 1,63 - №4 - 0,93 98,1 0,93 - №5 - - 100 - - №6 - 0,75 98,4 0,75 - I 0,9 0,79 98,0 0,84 - II 0,81 1,10 97,4 1,10 - А 0,9 1,19 97,05 1,27 - В 0,81 1,28 97,0 1,28 - С - 0,75 99,2 0,75 - По группам вариантов различающихся по ширине генетической основы наибольшей стабильностью хромосомных чисел обладает группа С, где частота 40-хромосомных клеток равна 99,2% в отличии от 97% групп А и В, а так же группы I и II. Возможно, что на стабильность хромосомных чисел большее влияние оказывает широта генетической основы, нежели присутствие E. perennis Hitch. Высокий уровень стабильности соматического числа хромосом в популяциях № 5 и № 6 (группа С) возможно обусловлен тем, что селекционная проработка прошла больше циклов, и поэтому популяции уже не содержат факторов влияющих на нарушение процессов редукционного деления клетки. Длительный отбор тетраплоидных генотипов преимущественно с бивалентным типом конъюгации хромосом, позволяет надеяться на успех в достижении полной "диплоидизации" полиплоидов.

Проведение такого отбора возможно только при жестком цитологическом контроле поведения хромосом в диакинезе с последующим самоопылением и размножением выделенных генотипов. Для проведения такого эксперимента среди тетраплоидных популяций были отобраны генотипы с повышенной частотой бивалентной конъюгации хромосом (табл. 10). На их основе были заложены очередные циклы отбора по таким критериям, как:

- повышенное содержание бивалентов в мейоцитах пыльников и стабильность тетраплоидного набора хромосом в соматических клетках;

- высокая выполненость початка;

- повышенная фертильность пыльцы;

- высокая урожайность растений;

- максимальное число зерен на початке;

- раннее синхронное цветение мужских и женских соцветий;

с последующим опылением лучших по продуктивности початков.

Таблица 10. Количество и характеристика тетраплоидных образцов, выделенных для индивидуального селекционного отбора на повышенную семенную продуктивность (Нальчик 1998/2000г.) Число Фертильность, Количество Популяции бивалентов % образцов №1 14-16 87,4 №2 14-16 85,1 №3 14-16 86,5 №4 14-16 85,5 №5 16-18 88,7 №6 16-18 86,1 I 14-16 87,0 II 14-16 86,0 А 14-16 86,2 В 14-16 86,0 С 16-18 87,4 В очередной цикл скрещиваний тетраплоидов включали лишь генотипы с высокими значениями семенной продуктивности початка и фертильности пыльцы. Проведение реккурентного отбора в таких семьях оказалось эффективным и наиболее оптимальным при решении проблемы семенной продуктивности тетраплоидных популяций. За период 1998/2010гг.

методом полигибридных скрещиваний выделенных высокоплодовитых генотипов тетраплоидной кукурузы была создана популяция МР ПП-20 с повышенной семенной продуктивностью початка (табл. 11).

Таблица 11. Динамика признаков коррелирующих с плодовитостью тетраплоидной популяции МРПП-20, (Нальчик 2011г.) Годы За № Признаки цикл 1998 1 Вегетационный период, дней 140 115 - 2 Число листьев, шт. 24 18 - 3 Выполненость початка, % 44 81 + 4 Число зерен на початке, шт. 550 900 + 5 Число бивалентов на мейоцит 12-14 16-18 + 6 Фертильность 85,8 97,7 +11, 7 Урожай зерна, т/га 8,5 12,3 +3, На основе этой популяции создано два сорта тетраплоидной кукурузы:

Тетра-1 и Баксанская сахарная, которые находятся в Государственном сортоиспытании с 2010г. Сорт пищевой тетраплоидной кукурузы Баксанская сахарная включен в 2012г. в реестр селекционных достижений допущенных к использованию (Патент № 6335 от 01.02.2012). Тетраплоидные сорта отличаются от диплоидных высоким урожаем зерна и зеленой массы, повышенным содержанием белка, устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам среды. Следует отметить, что эффективность отбора и динамика изменчивости признаков высоко коррелирующих с семенной продуктивностью изменялась в тетраплоидных сортах с различной скоростью (см. рис. 5).

Выполненность початка 80 Фертильность пыльцы Урожай зерна Период вегетации 40 Число зерен на початке 1998 2000 2002 2004 2006 2008 Рисунок 5. Динамика эффективности отбора (%) в тетраплоидных популяциях кукурузы по признакам высоко коррелирующим с семенной продуктивностью.

На начальных циклах отбора (1998-2002гг.) эффективность отбора не превышала 5-10%, но уже с 2002 по 2008г. эффективность отбора составила 15-20 % за цикл. С 2006 по 2010гг. эффективность отбора по фертильности пыльцы и периоду вегетации несколько снизился, тогда, как по остальным признакам эффективность сохранилась на уровне 15-20% за цикл.

В тетраплоидных популяциях кукурузы, в процессе селекционного отбора по цитогенетическим признакам, удалось перевести квадривалентный тип конъюгации хромосом (см. рис. 6) на предпочтительный бивалентный тип конъюгации (см. рис. 7). Параллельно с положительной динамикой процесса диплоидизации мейоза тетраплоидной кукурузы произошли изменения и морфобиологических признаков початка (см. рис. 8). При этом хромосомные числа в тетраплоидных популяциях оставались стабильными (см. рис. 9).

Рисунок 6. Бивалентный тип конъюгации хромосом в мейоцитах диплоидной (слева) и квадривалентный тип конъюгации хромосом тетраплоидной (справа) кукурузы.

Рисунок 7. Мультивалентные ассоциации хромосом тетраплоидной кукурузы с лучшим, бивалентным типом конъюгации хромосом.

Рисунок 8. Динамика структуры початка тетраплоидной кукурузы (МР ПП-20) в результате отбора 1998-2010г. на повышенную продуктивность початка.

Рисунок 9. Метафазные пластинки корешков диплоидной (слева) и тетраплоидной (справа) кукурузы.

6. Особенности семеноводства тетраплоидной кукурузы Тетраплоидная кукуруза легко скрещивается с диплоидной, образуя щуплые триплоидные зерновки без эндосперма (см. рис. 10). Реципрокные скрещивания между диплоидной и тетраплоидной кукурузой показали, что гибридное потомство - триплоидные зерновки жизнеспособны и частично Фертильны. Поэтому следует тщательно соблюдать пространственную изоляцию между посевами тетраплоидной и диплоидной кукурузы.

Триплоидные гибридные зерновки при достаточной влагообеспеченности дают в поле слабые ростки с узкими, удлиненными листочками и в процессе вегетации могут развивать мощные растения, превышающие тетраплоидные и диплоидные по высоте. В период цветения триплоидные растения слабо фертильны, и образуют пыльцу с нарушенным числом хромосом в гаметах, которая состоит из смеси гаплоидных, диплоидных и анеуплоидных гамет.

При самоопылении (инцухт) триплоидной кукурузы на початке завязываются зерна с различной плоидностью (см. рис. 10). Эти пыльцевые зерна, попадая на рыльца початков диплоидной и тетраплоидной кукурузы, завязывают зерновки с нарушенным числом хромосом. При засорении посевов диплоидной и тетраплоидной кукурузы зерновками триплоидов с их опылением происходит резкое снижение зерновой продуктивности початка, что приводит к снижению урожая зерна. Проведенные исследования гомоплоидных и гетероплоидных скрещиваний и анализа гибридного потомства показал, что нарушения формирования эндосперма наблюдаются в случае нарушения соотношения плоидности компонентов зерновки – зародыша и эндосперма. Так при гомоплоидном скрещивании у диплоидов и тетраплоидов соотношения зародыша и эндосперма составляют 2:3, то у триплоидов наблюдается два варианта, это 3:4 и 3:5 для гибридов 2n 4n и 4n 2n соответственно (табл. 12). Анализ расщепления маркированных гамет в гетероплоидных скрещиваниях показал, что при инцухте частота диплоидных гамет составляет 7,44% триплоидных 41,78%, тетраплоидных 50,74% (табл. 12). Расшепление маркерных генов для диплоидных зерновок составляет 2А:1а, для триплоидных 3А:1а, и тетраплоидных 4А:1а.

Таблица 12. Выполненость компонентов зерновки при моноплоидных и гетероплоидных скрещиваниях между 2n и 4n кукурузой, (Нальчик 2009/2010) Плоидность, n Состояние Соотношение Гибрид зародыш : эндосперм зародыш эндосперм зародыш эндосперм 2n x 2n 2 3 2:3 развит развит 4n x 4n 4 6 2:3 развит развит 2n x 4n 3 4 3:4 развит не развит 4n x 2n 3 5 3:5 развит не развит При этом во всех комбинациях развиваются вполне жизнеспособные и достаточно фертильные триплоидные растения. У триплоидных растений фертильность мужского соцветия снижена, но рыльца початка способны принимать гаплоидную и диплоидную пыльцу (см. рис. 11). Завязавшиеся на триплоидном початке зерновки бывает трудно отличить по плоидности среди остальных и существует реальная угроза снижения урожайности посевов кукурузы в связи с таким засорением. Анализ данных показал (табл. 13), что в первую очередь именно пыльца триплоидных растений приводит к дисбалансу хромосом в мейозе, что в свою очередь становится причиной полного или частичного редуцирования ткани эндосперма в зерновке. Доля гаплоидной пыльцы также оказывает свое негативное действие, на структуру популяции привнося в нее новые частоты триплоидных зерновок формирующихся в результате гетероплоидных комбинаций между 2n и 4n кукурузой.

Таблица 13. Расщепление плоидности триплоидных гибридов и классов аллелей гена А в F2 при гетероплоидном реципрокном скрещивании, (Нальчик 2009/2010гг.) Расщепление в F2, (%) Частота, n Расщепление Классы 4x аа x 2х А 2х а x 4xАА % Всего = Aaa = AAa А- 4,48 5,98 10, 2 7,44 2А:1а аа 3,0 1,48 4, А- 35,81 41,79 77, 3 41,78 3А:1а ааа 5,96 0 5, А- 47,75 50,75 98, 4 50,74 4А:1а аааа 3,0 0 3, Сумма 100% 100% 100% Рисунок 10. Развитие триплоидных зерновок без эндосперма при гетероплоидном скрещивании между 2n и 4n кукурузой (слева) и самоопыленный початок триплоидной кукурузы (справа) Рисунок 11. Развитие зерновок на триплоидных (3n) початках опыленных гаплоидной (слева) и диплоидной (справа) пыльцой Следует отметить, что при схеме скрещивания4n аа 2n А = Aaa выщепляются 2n, 3n, 4n зерновки как с рецессивным, так и с доминантным маркером. При схеме 2n а 4n АА = Aaa так же выщепляются 2n, 3n, 4n зерновки, но нет гомозиготных рецессивов 3n и 4n зерновок. Частота засорения тетраплоидных популяций гаплоидной пыльцой при схеме4n 2n и 2n 4n не отличается. Частота образования диплоидной пыльцы у триплоидных растений при схемах скрещивания составляет 50,74%. Следует отметить, что засорение посевов тетраплоидной кукурузы пыльцой фертильных триплоидных растений способствует разбалансированию хромосомных чисел и нарушению нормального течения процессов мейоза.

Поэтому, соблюдение норм пространственной изоляции и высокого качества зерна является одним из важнейших условий сохранения высокого уровня продуктивности тетраплоидных популяций кукурузы.

7. Биохимическая и энергетическая оценка популяций тетраплоидной кукурузы Анализ содержания белка (по Кьельдалю) и содержания масла (по Рушковскому) показал (табл. 14), что наибольшая урожайность (в пересчете на т/га) белка с 1га получают в вариантах с наименьшей урожайностью зерна (№ 1, № 2, № 3), а масла в вариантах с низким содержанием белка и высокой урожайностью. Максимальная урожайность зерна и сбора белка (т/га)отмечается в популяциях № 1 и № 6. Здесь невысокий процент содержания белка в зерне (10,9%) компенсируется высокой урожайностью зерна и содержанием масла.

Таблица 14. Биохимический состав и энергетическая ценность зерна тетраплоидной кукурузы, (Нальчик 1998-2001гг.) Сбор, Энергии, Урожай Содержание, % т/га ГДж./га Вариант зерна, т/га белка масла белка масла белка масла St 9,720 9,3 4,31 0,90 0,41 21,420 154, №1 7,566 12,2 3,58 0,923 0,27 21,967 101, №2 6,668 12,2 3,28 0,813 0,22 19,349 82, №3 7,858 12,5 3,04 0,982 0,23 23,371 86, №4 8,668 10,6 2,95 0,918 0,25 21,848 94, №5 7,920 10,4 3,11 0,823 0,24 19,587 90, №6 9,921 10,9 2,69 1,081 0,26 25,727 97, I 7,384 11,6 3,32 0,856 0,24 20,372 90, II 8,148 11,3 3,00 0,920 0,24 21,896 90, А 7,116 12,2 3,43 0,868 0,24 20,6584 90, В 7,263 11,5 2,99 0,835 0,21 19,9444 78, С 8,920 10,6 2,90 0,945 0,25 22,6100 94, НСР0,05 0, Поэтому сочетание высокой урожайности зерна и белка в сочетании с содержанием масла с 1 га дает в сумме большую энергетическую прибыль.

По группам вариантов высокое накопление белка отличает группу II, которая превышает I группу на 64 кг с га белка, тогда как содержание масла в этих группах одинаково. По широте генетического полиморфизма максимальную семенную продуктивность имеет группа С, которая, несмотря на низкий процент содержания белка в зерне, показала наибольшую энергетическую прибыль. Следует отметить некоторую закономерность в содержании белка в зависимости от широты генетической основы. Так с возрастанием широты содержание белка снижается в среднем на 1%, а урожайность зерна возрастает. Причем возрастание урожайности зерна происходит резче, чем снижение белка. В группах А, В и С с возрастанием генетического полиморфизма наблюдается рост содержания белка и снижение содержания масла соответственно.

Длительный селекционный отбор в популяциях тетраплоидной кукурузы на высокобелковость и высокомасличность показал, что отбор на высокомасличность показал его эффективность в 2 и более раз за период 2001-2010гг, тогда как увеличение белка за аналогичный период имело прирост не более чем в 1,3 раза (см. рис. 12).

St ВБ 14/22 (2n) 12 ВБ ПП22 (4n) 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 St.

ВМ 14/29 (2n) 7 ВМ 14/47 (4n) 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Рисунок 12. Динамика накопления белка (вверху) и масла (внизу) в зерне тетраплоидной кукурузы за 2001/2010гг.

Широта генетического полиморфизма оказала влияние на изучаемые показатели. В группе А и В при сравнительно одинаковой урожайности степень реализации потенциала урожайности в группе А выше. Группа С существенно опережает группы А и В как по урожайности, так и по реализации потенциала продуктивности. Подсчет энергетической продукции подтверждает результаты полученных данных по урожайности (табл. 15).

Наиболее энергетически прибыльными оказались варианты № 6, № 4, № 5, группы II, С. Таким образом, можно утверждать, что присутствие генетического материала теосинте Euchlaena perennis Hitch. и расширение генетического полиморфизма способствует получению более высоких урожаев и энергетически более оправдано, но из-за низкой семенной плодовитости большая часть генетического потенциала тетраплоидной кукурузы остается нереализованной. Выделены варианты с высокой интенсивностью работы листьев (№ 6, № 1), высокой степенью реализации генетического потенциала (№ 6, № 5), хотя имеются и низкоурожайные варианты с высоким генетическим потенциалом (№ 3), а так же дающим большую энергетическую прибыль с 1 га. Так в группе I реализация генетического потенциала выполнено на 27,02% при урожайности зерна 7,384 т/га, тогда как в группе II урожайность зерна выше 8,148 т/га при немного большей степени реализации генетического потенциала урожайности зерна.

Таблица 15. Энергетическая оценка посевов тетраплоидной кукурузы, (Нальчик 1998-2000гг.) Приход ФАР на 1 га Ожидаемая Приход ФАР посевов урожайность т/га Популя Площадь на листа см ции растение Зеленая ГДж/га КВт ч/га Зерно МДж/см2 масса St-1 851,756 115,899 4635,96 129343 20,00 22, St-2 858,507 116,817 4672,71 1336395 15,1 16, №1 766,942 104,358 4174,34 1195388 30,01 36, №2 865,671 117,792 4711,68 1308800 28,07 34. №3 884,07 120,296 4811,86 1336630 38,84 47, №4 970,147 132,008 5880,35 1466764 30,11 36, №5 1007,61 137,106 5484,24 1523400 25,16 30, №6 967,844 131,695 5267,82 1463283 23,95 29, I 877,021 119,337 4773,48 1325967 27,32 33, II 940,044 127,912 5116,31 1421252 29,48 36. А 830,380 112,990 4519,62 1255451 29,64 36, В 926,567 126,078 5043,15 1400876 33,72 41, С 988,044 134,444 5377,70 1493823 27,13 33, НСР0,05 18, 8. Влияние генов su2 на биохимический состав зерна тетраплоидной сахарной кукурузы Открытие генов sugary endosperm (su), waxy endosperm (wx), amylase extender (ae), dull endosperm (du), shrunken endosperm (sh), opaque-2 (o2), floury-2 (fl2) и других, определяющих мутации эндосперма у кукурузы, значительно ускорило исследования, направленные на улучшение качественного (биохимического) состава зерна. Были изучены механизмы действия и взаимодействия этих генов, получены первые сорта и гибриды, имеющие коммерческое значение.

До настоящего времени все исследования генов эндоспермовых мутаций проводились на диплоидной кукурузе, и лишь отдельные авторы проводили сравнительный анализ биохимического состава диплоидной кукурузы с иными формами плоидности ее зерна. На подвидах пищевой кукурузы и, в частности, наиболее распространенном среди них - сахарном, подобные вопросы и вовсе не изучались.

В наших исследованиях были изучены взаимодействия генов su2 в гомозиготном и гетерозиготном состоянии аллелей в эндосперме диплоидной (2n) и тетраплоидной (4n) сахарной кукурузы сорта Ника 353. Целью исследований являлось определение взаимодействия генов su2 на тетраплоидном уровне и его влияние на биохимический состав зерна.

Гетерозиготы были получены опылением сахарной кукурузы (4n) пыльцой кремнистого (4n) подвида кукурузы. Полученные зерна анализировались на содержание водорастворимых, гидролизуемых и общих сахаров.

Проведенный анализ содержания общих, водорастворимых и гидролизуемых сахаров в гомозиготных и гетерозиготных зерновках тетраплоидной сахарной кукурузы показал существенные различия в содержании сахаров и его фракций при различных состояниях аллелей сахарного эндосперма (табл. 16). Сравнение значений содержания общего сахара в гомозиготных по гену su2 зерновках не выявило существенных различий между 2n и 4n зерновками. Несмотря на увеличение аллелей su2 в тетраплоидном эндосперме в два раза, содержание общего сахара осталось на уровне значений диплоидного эндосперма. Введение доминантного гена Su () в рецессивный генотип эндосперма su2 () вызывает снижение содержания общего сахара как у 2n, так и у 4n зерновок. При этом в диплоидных зерновках происходит более резкое снижение содержания общего сахара (-8,2мг), чем в тетраплоидных (-2,9 мг), хотя общее соотношение аллелей (1АА:2аа) сохраняется.

Таблица 16. Содержание сахаров эндосперма 2n и 4n кукурузы в зависимости от состояния аллелей su2 (мг/100 г навески) (Нальчик 2008/2009гг.) Содержание сахаров Варианты Общий : водорастворимые гидролизуемые сахар su2:su2su2 (стандарт 2n) 12,7 34,4 47, su2su2:su2su2su2su2 (стандарт 4n) 11,6 36,1 47, Su2:su2su2 2,2 36,7 38, Su2Su2:su2su2su2su2 3,1 41,7 44, Отклонения от стандарта 1 -10,5 +2,3 -8, 8, Отклонения от стандарта 2 +5,6 -2, НСР0,5= 0, Повышенное содержание различных питательных веществ не всегда свойственно тетраплоидной кукурузе. Как показывают результаты исследований содержания белка и масла в зерне 2n и 4n кукурузы эта закономерность справедлива только в отношении содержания белка.

Проведенные исследования содержания сахаров в гомозиготных и гетерозиготных по гену su2 зерновках диплоидной и тетраплоидной кукурузы показало, что количественные значения могут изменяться в широких пределах в зависимости от состояния и количества аллелей. Кроме того, межаллельные взаимодействия гена su2 могут изменять значения содержания различных фракций сахаров в зависимости от соотношения доминантных и рецессивных аллелей в локусе как у 2n, так и у 4n кукурузы. Поэтому изучение новых сочетаний эндоспермовых мутаций у тетраплоидной кукурузы позволит получить не только новые знания о взаимодействиях этих генов, но и изменять в более широких пределах количественный и качественный состав химических компонентов зерновки.

Анализ содержания общих, водорастворимых и гидролизуемых сахаров в зерне тетраплоидной кукурузы показал, что существенных различий по содержанию общих сахаров нет. Но при сравнении содержания гидролизуемых и водорастворимых сахаров было обнаружено, что у тетраплоидной кукурузы снижено содержание водорастворимых сахаров и повышено содержание гидролизуемых (табл. 17).

Таблица 17. Содержание сахаров, белка и масла в зерновках 2n и 4n кукурузы (Нальчик 2008/2009гг.) Содержание в зерне зерен, г Масса Сахара, (мг/100 г навески) Белка, Масла, Варианты n % % Водорастворимые Гидролизуемые Общие Ника 353 2 85,3 10,06 4, 12,7 34,4 47, Баксанская 4 227,4 12,75 2, 11,6 36,1 47, сахарная НСР = 0,11 0,10 0, При этом у сахарной тетраплоидной кукурузы в сравнении с диплоидным стандартом содержание белка выше на 2,69 %, а масла на 1,65 % ниже. Возможно, такое различие объясняется большим размером зародыша тетраплоидной сахарной кукурузы в сравнении с диплоидной (см. рис. 13).

Рисунок 13. Размеры зерновки и зародыша у тетраплоидной (слева) и диплоидной (справа) сахарной кукурузы 9. Экологическая пластичность и стабильность засухоустойчивой тетраплоидной кукурузы В проведенных исследованиях, показатели стабильности и пластичности мы оценивали в семи среднепоздних популяциях тетраплоидной кукурузы и их 21 межпопуляционных гибридов, полученных при диаллельной схеме скрещиваний. Популяции показали урожайность ниже значения стандартного гибрида, в среднем за годы исследований на влагообеспеченном и засушливом фонах (таблица 18, см.рис. 14). Анализ средней урожайности зерна популяций на засушливом и влагообеспеченном фонах не выделил, каких либо популяций. Но среднее значение урожая зерна по семи межпопуляционным гибридным комбинациям имели значения выше стандарта.

Таблица 18. Урожайность тетраплоидных популяций кукурузы, т/га (Хатефов, Кагермазов, 2008г.) Урожайность зерна, т/га Средняя по Популяции популяциям Фон А Фон В St 9,8 7,1 8, ПП 1-18 8,1 5,6 6, ПП 1-22 9,0 6,3 7, ПП 4-20 6,8 4,5 5, ПП 5-20 7,0 5,7 6, ПП 6-22 7,5 6,4 6, ПП 7-20 8,4 5,9 7, ПП 7-22 7,5 6,3 6, Средняя по фонам 7,75 5,81 6, (без стандарта) НСР,05 0,18 0,19 0, Фон А –засушливый фон, фон В- влагообеспеченный фон Результаты анализа показали, что популяции ПП 5-20, ПП 1-22, ПП 6 22 отнесены к линиям экстенсивного типа, так как при низкой и средней пластичности (0,69;

1,15;

1,39 соответственно), они характеризуются высокими значениями стабильности (9,44;

2,71;

2,54 соответственно). Тем не менее, в конкретных комбинациях они дают высокопластичные гибриды:

(ПП 5-20 ПП 7-20), (ПП 5-20 ПП 7-22), (ПП 1-22 ПП 4-20), (ПП 1- ПП 6-22) (ПП 1-18 ПП 5-20), а по стабильности гибриды: (ПП 5-20 ПП 7 22), (ПП 4-20 ПП 7-22), (ПП 1-22 ПП 4-20) (табл. 19).

Изучение линий регрессии при различных фонах влагообеспеченности (см. рис. 14) показало, что в вариантах ПП 5-20, ПП 6-22 и ПП 7-22 динамика снижения урожая зерна меньше, чем в остальных популяциях, тогда как фактический урожай зерна меньше стандартного значения. Популяции ПП 1 18, ПП 1-22, ПП 4-20, ПП 7-20 показали, что линия регрессии снижения урожайности параллельна стандартному значению и не имеет каких либо преимуществ по фактическому урожаю зерна. Поэтому, из изученных популяций большей величиной засухоустойчивости обладают популяции ПП 5-20, ПП 6-22 и ПП 7-22.

Стандарт 10 ПП 1- ПП 1- ПП 4- ПП 5- 4 ПП 6- ПП 7- ПП 7- Влагообеспеченный фон, т/га Засушливый фон, т/га Рисунок 14. Линии регрессии урожая зерна тетраплоидных популяций кукурузы на различных фонах влагообеспеченности, (Хатефов, Кагермазов, 2008г.).

Популяции ПП 1-18, ПП 4-20, ПП 7-22 с низкой пластичностью (b = 0,91 и bi = 0,58) и высокой стабильностью (S2i = 0,11, 0,11, 0, соответственно) близки к абсолютно стабильным формам. Популяция ПП 7 20 обладает средней пластичностью, но стабильно реализуют свой потенциал в различных условиях выращивания. Популяция характеризуется средними показателями пластичности и стабильности (bi = 1,11 и S2i = 0,14). Популяции ПП 7-20 и ПП 6-22 можно отнести к высокопластичным и стабильным формам (bi = 1,15;

1,39 и S2i = 2,54;

2,71 соответственно). Гибриды с участием этих популяций отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной стабильностью (табл. 19).

Таблица 19. Значения экологической пластичности и стабильности тетраплоидных популяций кукурузы, (Хатефов, Кагермазов, 2008г.) Урожайность зерна, т/га S2 i Популяция bi Влагообеспеченный Засушливый фон фон ПП 1-18 8,1 5,6 0,91 0, ПП 1-22 9,0 6,3 1,15 2, ПП 4-20 6,8 4,5 0,95 0, ПП 5-20 7,0 5,7 0,69 9, ПП 6-22 7,5 6,4 1,39 2, ПП 7-20 8,4 5,9 1,11 0, ПП 7-22 7,5 5,3 0,64 0, НСР,05= 0,18 0,19 0, Результаты исследований экологической пластичности и стабильности, лучших 13 гибридов выделенных из 21 межпопуляционной гибридной комбинации, полученных в результате скрещивания по диаллельной схеме приведены в таблице 20. Как показали результаты исследований межпопуляционных гибридов из лучших 13, обладают высокой экологической пластичностью (bi 1) и 6 межпопуляционных гибридов экологической стабильностью (S2i 10). Эти гибриды хорошо отзываются на изменение условий выращивания и дают стабильный урожай в различных экологических зонах. Межпопуляционный гибрид (ПП 4-20 ПП 7-22), наряду с высокой урожайностью (8,2 т/га), обладает экологической стабильностью (S2i =0,00) которая показала наименьшее значение.

Межпопуляционные гибриды (ПП 4-20 ПП 5-20), (ПП 4-20 ПП 7-22), (ПП 6-22 ПП 7-20) наряду со средней пластичностью отмечены высокой стабильностью урожаев. Гибридная комбинация (ПП 4-20 ПП 5-20) и (ПП 4-20 ПП 7-22) с низкой пластичностью и высокой стабильностью (bi=0,45, 0,90 и S2i =48,63, 11,97 соответственно) близка к среднестабильным гибридам и наименее ценна. Примерно также характеризуются простые межпопуляционные гибридные комбинации (ПП 1-18 ПП 5-20), (ПП 1- ПП 6-22), (ПП 1-22 ПП 7-20), (ПП 4-20 ПП 6-22), (ПП 6-22 ПП 7-22) которые обладали высокой экологической пластичностью (bi 1), но не отличались стабильностью урожаев (S2i10). Поэтому эти гибридные комбинации будут отзывчивы на высокий агрофон.

Таблица 20. Параметры экологической пластичности и стабильности, лучших по засухоустойчивости межпопуляционных гибридов тетраплоидной кукурузы, (Хатефов, Кагермазов, 2009-2010гг.) Урожайность, S2 i Гибрид bi т/га St 9,8 - - - ПП 1-18 ПП 4-20 8,80 1,07 295,32 0,07 119, ПП 1-18 ПП 5-20 9,19 1,30 7,48 0,33 2, ПП 1-22 ПП 4-20 8,89 1,27 2,11 0,25 0, ПП 1-22 ПП 6-22 8,94 1,89 6,76 -0,10 2, ПП 1-22 ПП 7-20 8,66 1,03 3,41 0,02 1, ПП 4-20 ПП 5-20 9,17 0,45 48,63 -0,57 19, ПП 4-20 ПП 6-22 8,78 1,12 47,16 0,14 18, ПП 4-20 ПП 7-22 8,20 0,90 0,00 -0,12 0, ПП 5-20 ПП 6-22 8,73 1,30 212,90 0,31 85, ПП 5-20 ПП 7-20 9,47 2,20 16,51 1,02 6, ПП 5-20 ПП 7-22 8,48 1,31 0,11 0,33 0, ПП 6-22 ПП 7-20 8,90 0,44 11,97 -0,56 4, ПП 6-22 ПП 7-22 8,85 1,20 14,97 0,19 5, Среднее по опыту 8, НСР05 0,39 0, В нашем случае выделена гибридная комбинация (ПП 5-20 ПП 7-20), которая имеет пластичность выше средней величины по опыту (для данного набора) и среднюю стабильность. Эта гибридная комбинация обладает наиболее выраженными признаками устойчивости к абиотическим факторам среды и заложение гомозиготных линий в этих популяциях крайне важно.

Остальные гибриды достоверно не отличаются от средней пластичности для данного набора. Если сравнить оценку экологической пластичности по коэффициенту регрессии и среднему квадратическому отклонению и параметрам j и j, можно отметить, что хотя первый метод более информативен, но при большом количестве испытанных гибридов вполне приемлем и второй. Так, например, гибридная комбинация (ПП 5-20 ПП 7 20) и в первом и во втором случаях отмечена лучшая по пластичности и стабильности.

10. Значения СКС и ОКС тетраплоидных популяций засухоустойчивой кукурузы.

В ходе оценки комбинационной способности проведено испытание простых межпопуляционных гибридов, полученных в системе диаллельных скрещиваний на влагообеспеченном и засушливом фонах, результаты которых представлены в таблицах 21 и 22.

Дисперсионный анализ результатов двухлетних испытаний межпопуляционных гибридов показал наличие существенных генотипических различий (Р 0,01) по всем признакам как в отдельные годы, так и в среднем за два года. Достоверность генотипических различий позволяет перейти к анализу варианс комбинационной способности. По Таблица 21. Константы (Sij) и вариансы (Q2Si) СКС урожайности зерна межпопуляционных гибридов тетраплоидной кукурузы (Хатефов, Кагермазов, 2009г.) Фон Константы СКС (Sij) Вариансы Популяции СКС ПП 1- ПП 4- ПП 5- ПП 6- ПП 7- ПП 7- (Q2Si) А 1,78 0,77 -1,42 -1,14 -0,12 1,25 1, ПП 1- Б -1,29 0,04 1,28 0,25 1,06 -0,75 1, А 0,15 1,99 -0,24 -1,37 -2,30 2, ПП 1- Б -0,13 0,77 0,23 0,28 0,27 0, А -2,85 -0,25 3,61 -2,05 4, ПП 4- Б -0,71 -0,19 1,40 -0,59 0, А 0,56 -1,19 2,41 3, ПП 5- Б -0,97 -1,97 1,89 1, А -0,01 0,59 0, ПП 6- Б -0,82 -0,77 1, А -0,16 2, ПП 7- Б 0,74 1, А 2, ПП 7- Б 0, НСР [Sij - Skl] А = 0,91;

Б = 1, А - Влагообеспеченный фон, Б - Засушливый фон результатам анализа (табл. 21, 22) сделан вывод о наличии существенной дифференциации среди родительских форм как по ОКС, так и по СКС. Из данных значений средних квадратов следует, что влияние генов аддитивного типа (ОКС) значительно выше влияния генов неаддитивного типа (СКС), т.е.

отношение msокс/msскс по всем признакам и годам значительно выше, хотя размах варьирования составляет от 3,25 до 6,9. Изучение ОКС и СКС межпопуляционных гибридов выявило неоднородность в значениях комбинационной способности. Так при высоких значениях вариансы СКС для популяции ПП 4-20 на влагообеспеченном фоне (Q2Si = 4,41), показывает на засушливом фоне один из самых низких значений (Q2Si = 0,71).

Противоположный эффект наблюдается в популяции ПП 6-22, где при влагообеспеченном фоне значения СКС ниже (Q2Si = 0,39), чем на засушливом (Q2Si = 1,40). Наиболее стабильные значения СКС на засушливом и влагообеспеченном фонах показала популяция ПП 1-18, значения которой не имели значительных различий (Q2Si = 1,26 и 1,64 соответственно). Анализ значений эффектов ОКС (Gi) межпопуляционных гибридов тетраплоидной кукурузы по признаку урожай зерна позволил выявить неоднородность популяций по значениями Gi на влагообеспеченном и засушливом фонах. Так популяция ПП 7-22 занимает 1 ранг на влагообеспеченном и засушливом фоне, а по значениям Q2Si занимает 3 и 5 ранги соответственно. Популяция ПП 5-20 имеет 5 ранг по значению ОКС на влагообеспеченном и засушливом фоне, а по СКС имеет 2 и 1 значения соответственно. Наиболее стабильные значения как по СКС, так и ОКС имеют популяции ПП 7-20, ПП 1-18 и ПП 1 22.