Національний університет біоресурсів

І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

Навчально-науковий інститут екології, рослинництва і біотехнологій агробіологічний факультет

УДК – 631.527:632.111:633.15

Допускається до захисту

В.о. завідувача кафедри

селекції і генетики

доцент, к.б.н.

_____________М.Ф. Парій

«__» ___________200_р.

МАГІСТЕРСЬКА РОБОТА

на тему: «Цінність вихідного матеріалу різних генетичних плазм кукурудзи при селекції на холодостійкість»

Спеціальність 8.09010105 - «Селекція і генетика сільськогосподарських культур»

Магістерська програма: використання біологічного різноманіття як джерел господарсько-цінних ознак та створення нових донорів для селекції сучасних сортів і гібридів

Спеціалізація: дослідницька

Виконав ____________ В.І. Барков

Керівник магістерської роботи ____________ В.Л. Жемойда

к.с.-г.н., доцент

Консультант з економічних питань ____________ О.Д. Балан

к.с.н., доцент

Консультант з охорони праці ____________ В.Г. Цапко

Київ 2012

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ

І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ

Навчально-науковий інститут екології,

РОСЛИННИЦТВА ТА БІОТЕХНОЛОГІЇ

Допускається до захисту

В.о. завідувача кафедри

селекції і генетики

доцент, к.б.н.

_____________М.Ф. Парій

«__» ___________20__р.

ЗАВДАННЯ

до виконання магістерської роботи

студенту (слухачу) Баркову Владиславу Ігоровичу

Спеціальність: Селекція і генетика сільськогосподарських культур

Магістерська програма: використання біологічного різноманіття як джерел господарсько-цінних ознак та створення нових донорів для селекції сучасних сортів і гібридів

Спеціалізація: дослідницька

Тема магістерської роботи «Цінність вихідного матеріалу різних генетичних плазм кукурудзи при селекції на холодостійкість»

Затверджене наказом ректора НУБіП України від 2012.01.13. № 69-С.

Вихідні дані до роботи: самозапильні лінії Національного центру генетичних ресурсів рослин України, каталоги, польові журнали фенологічних спостережень, обліків, фітопатологічних оцінок, лабораторних та польових аналізів.

Перелік питань, що підлягають дослідженню:

1. Провести вивчення самозапилених ліній в лабораторних умовах та визначити їх схожість при понижених температурах.

2. Провести облік по довжині ростка та корінця.

3. За результатами обліку холодостійкості в лабораторних умовах розробити схему схрещувань для одержання холодостійких гібридів.

4. Провести посів самозапилених ліній в польових умовах для визначення холодостійкості і можливості раннього посіву при понижених температурах.

5. Відтворити схему діалельних схрещувань холодостійких ліній.

6. Провести оцінку отриманих гібридів за біометричними показниками та показниками структури урожаю при селекції їх на холодостійкість.

Керівник магістерської роботи ____________ В.Л. Жемойда

к.с.-г.н., доцент

Завдання прийняв до виконання ____________ В.І. Барков

Дата отримання завдання

«__» ___________200_р.

РЕФЕРАТ

Магістерська робота на тему: «цінність вихідного матеріалу різних генетичних плазм кукурудзи при селекції на холодостійкість» виконана на 74 сторінках друкованого тексту. За структурою включає 6 основних розділів, висновки і пропозиції виробництву. Робота ілюстрована 19 таблицями та 7 рисунками. Список використаної літератури включає 24 найменування.

Метою магістерської роботи є визначення холодостійкості ліній кукурудзи різних генетичних плазм в лабораторних та польових умовах; подальше прогнозування їх використання в якості вихідного матеріалу для створення високоврожайних холодостійких гібридів та оцінка отриманих гібридів.

На основі опрацьованого огляду літератури, який відображає значення вихідного матеріалу в селекції гібридної кукурудзи, широкий діапазон генетичного різноманіття, джерела цінних ознак, методи і способи створення самозапильних ліній та гібридів, відібрано самозапильні лінії з Національного центру генетичних ресурсів рослин України. Холодостійкість визначалася польовим та лабораторним методами. Серед холодостійких ліній було проведено аналіз за комплексом ознак, кращі були включені до схеми діалельних схрещувань. Серед отриманих гібридів виділено найкращі шляхом польових досліджень та лабораторної оцінки зібраного врожаю. На основі проведеної роботи зроблено обґрунтовані висновки та пропозиції

КУКУРУДЗА, ГЕНЕТИЧНА ПЛАЗМА, ХОЛОДОСТІЙКІСТЬ, САМОЗАПИЛЬНІ ЛІНІЇ, ГІБРИДИ, ВИХІДНИЙ МАТЕРІАЛ, МЕТОДИКА ПОЛЬОВИХ ТА ЛАБОРАТОРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА СПОСТЕРЕЖЕНЬ, БІОМЕТРИЧНІ ПОКАЗНИКИ, СТРУКТУРА УРОЖАЮ, ДІАЛЕЛЬНІ СХРЕЩУВАННЯ.

ВСТУП

Проблема створення нового вихідного матеріалу є однією з найбільш гострих в селекції кукурудзи, особливо в селекції холодостійких гібридів. Однак їх генофонд об­межений і представлений, в основному, лініями кременистого підвиду. Викори­стання їх у виробництві утруднене через низькорослість, дуже низьку насіннєву продуктивність і сприйнятливість до хвороб.

Генетичне різноманіття кукурудзи за останні десятиріччя значно зменши­лось. Широке впровадження гібридів у виробництво витіснило місцеві форми і створило загрозу втрати генетичного багатства кукурудзи, що може призвести до значного зниження ефективності селекційної роботи. Сучасні гібриди кукуруд­зи сформовані з використанням лише невеликої частини зародкової плазми. Тільки 5-8% видового різноманіття кукурудзи використовується в сучасному се­лекційному процесі. Не дивлячись на широкі селекційні програми по створенню самозапилених ліній, батьківські форми поширених гібридів часто повторюються або є близькородинними. Така уніфікація генетичного матеріалу створює значні труднощі для подальшого підвищення генетичної сили гібридів внаслідок звужен­ня генетичної різноманітності, збільшує генетичну вразливість, можливість еко­номічних втрат, викликаних деякими хворобами, шкідниками, та несприятливими умовами зовнішнього середовища. Все це обумовлює висновок, що кожен наступний крок у поліпшенні кукурудзи все рідше дає позитивні результати.

При створенні холодостійких гібридів кукурудзи для умов з нестабільними кліматичними умовами, на початкових етапах розвитку, важливого значення набувають форми, які спроможні протистояти стресовому впливу без особливих фізіологічних змін. Тому, добір вихідного матеріалу за ознаками стійкості до низьких позитивних температур та високими репаративними властивостями, є основним ефективним методом селекції, який дає можливість виявити стійкі генотипи і прослідкувати характер успадкування цієї ознаки.

Саме тому метою роботи є вивчення ліній кукурудзи різних генетичних плазм, з подальшим їх використанням в якості вихідного матеріалу для створення високоврожайних холодостійких гібридів.

В завдання досліджень входило: провести вивчення самозапилених ліній в лабораторних умовах та визначити їх схожість при понижених температурах; провести облік по довжині ростка та корінця; за результатами обліку холодостійкості в лабораторних умовах розробити схему схрещувань для одержання холодостійких гібридів; провести посів самозапилених ліній в польових умовах для визначення холодостійкості і можливості раннього посіву при понижених температурах; відтворити схему діалельних схрещувань холодостійких ліній; провести оцінку отриманих гібридів за біометричними показниками та показниками структури урожаю при селекції їх на холодостійкість.

Матеріали досліджень були представлені на 65й всеукраїнській науковій студентській конференції «Інновації в агрономії, досягнення і перспективи», в Національному університеті біоресурсів і природокористування України; на науковій студентській конференції, присвяченій 170-річчю відкриття головного училища садівництва, м. Умань. Крім того, матеріали було висвітлено на міжнародній конференції «Future of Food», в університеті Анхальт (м. Бернбург, Німеччина, 18-25 липня 2012 року).

РОЗДІЛ 1. ПІДБІР ВИХІДНОГО МАТЕРІАЛУ – ОСНОВА СЕЛЕКЦІЇ ГІБРИДНОЇ КУКУРУДЗИ

Прискорене і стійке виробництво зерна є важливою задачею агропромислового комплексу України. В успішному вирішенні цієї проблеми важлива роль належить кукурудзі - одній з найбільш врожайних культур багатопланового використання.

Поширення кукурудзи, як однієї з ведучих зернових культур в світовому землеробстві, пояснюється її біологічними особливостями, пристосованістю рослин до різних умов вирощування, а також високою урожайністю в зв'язку з використанням явища гетерозису.

Для створення гібридів потрібно мати різноманітний вихідний матеріал - самозапилені лінії, які мають властивості передавати гібридам цінні ознаки [1,2].

Використання інтродукованого матеріалу не завжди приводить до створення високоврожайного гібриду. Тому необхідно використовувати лінії власної селекції, у яких разом із господарськими ознаками були б підвищені адаптаційні властивості до екологічних умов зони.

Добре відомо, що синтезувати високоврожайні гібриди можливо лише постійно створюючи більш вдосконалені самозапилені лінії кукурудзи та поповнюючи робочу колекцію.

Нові лінії можна одержати, як правило, з придатних місцевих і селекційних сортів, популяцій, ранньостиглих і середньоранніх гібридів світової і вітчизняної селекції, спеціально створених синтетиків, з залученням екзотичних рас, спонтанних мутацій та іншої екзотичної зародкової плазми.

Про підвищений інтерес селекціонерів до місцевих сортів, як джерел цінних генів, свідчить ряд повідомлень [3, 4, 5].

Велике різноманіття екзотичних популяцій в останній час все більше використовується в селекційних програмах при створенні і покращенні нових синтетиків - вихідного матеріалу для виведення ліній. Екзотична плазма може бути з успіхом використана як важливе джерело генетичної мінливості врожайності і інших агрономічних властивостей [6, 7, 8].

Як відзначали І. П. Чучмій, В. В. Моргун [9], важливим джерелом для створення скоростиглих ліній кукурудзи в останній час служать скоростиглі гібриди закордонної і вітчизняної селекції.

Метою досліджень було комплексне вивчення та добір найбільш цінних ліній для створення холодостійких та високоврожайних гібридів кукурудзи.

1. . Генетичні основи підбору вихідного матеріалу кукурудзи

Проблема створення нового вихідного матеріалу є однією з найбільш гострих в селекції кукурудзи, особливо в селекції скоростиглих гібридів. Одна з найбільш важливих задач в селекції кукурудзи — створення холодостійких гібридів для посіву в більш ранній період [2,6]. Однак, генофонд кукурудзи ранніх холодостійких зразків представлений, в основному, лініями кременистого підвиду. Використання їх у виробництві утруднене через низькорослість, дуже низьку насіннєву продуктивність і сприйнятливість до хвороб [1].

Генетичне різноманіття кукурудзи за останні десятиріччя значно зменшилось. Широке впровадження гібридів у виробництво витіснило місцеві форми і створило загрозу втрати генетичного багатства кукурудзи, що може призвести до значного зниження ефективності селекційної роботи. Сучасні гібриди кукурудзи сформовані з використанням лише невеликої частини зародкової плазми [7]. Тільки 5-8% видового різноманіття кукурудзи використовується в сучасному селекційному процесі. Не дивлячись на широкі селекційні програми по створенню самозапилених ліній, батьківські форми поширених гібридів часто повторюються або є близькородинними. Така уніфікація генетичного матеріалу створює значні труднощі для подальшого підвищення генетичної сили гібридів внаслідок звуження генетичної різноманітності, збільшує генетичну вразливість, можливість економічних втрат, викликаних деякими хворобами, шкідниками, та несприятливими умовами зовнішнього середовища [7]. Все це обумовлює висновок, що кожен наступний крок у поліпшенні кукурудзи все рідше дає позитивні результати.

На перших етапах селекції як вихідний матеріал при створенні ліній використовували місцеві і селекційні сорти популяції. На його основі було одержані велику кількість самозапилених ліній, багато з яких і нині є батьківськими компонентами гібридів, вирощуваних в різних країнах світу [6].

Як вихідний матеріал для кукурудзи використовують, головним чином. дві генетичні групи SSS та Lancaster, і найкращі результати в більшості випадків досягнуті при використанні матеріалів цих груп.

Подальший прогрес в селекції в значній мірі залежить від наявності та доцільного використання різноманітного вихідного матеріалу.

Для збагачення генетичної основи селекції ведуть роботу по інтрагресії екзотичної зародкової плазми у вихідний матеріал, хоча практичне його значення в селекційних програмах незначне через труднощі з адаптацією, фотоперіодичною реакцією, а також інші несприятливі агрономічні ознаки.

Можливі втрати цінних агрономічних властивостей при схрещуванні сортів кукурудзяного поясу і екзотичних, мало пристосованих до місцевих умов Рекомендується використовувати екзотичні форми лише після попередніх схрещувань з місцевими сортами, причому частка екзотичної плазми в одержаних з такого матеріалу лініях повинна бути невеликою. І тим паче, подальша інтрагресія екзотичної плазми в використовуваний селекційний матеріал цілком можлива і необхідна, оскільки підвищення генетичного різноманіття останнього буде визначати рівень гетерозису створюваних гібридів і в кінцевому рахунку врожайності кукурудзи [6].

Пропонується відбирати біотипи з сортів та популяцій Західної півкулі: мексиканської зубовидної форми — типу Тукспан; кременисті форми — з тропічного узбережжя Куби; Tignisate — з Гватемали; жовту — з Гаїті; багатопо- чаткову — Chandeila; синтетик Е.Т.О. — з Колумбії [4,12]. А також місцевий сорт — Mindszenpuszta — з Угорщини, який не є родичем американських та європейських сортів. Також включаються в селекційний процес дві форми (Florida і Durango) дикоростучої рослини теосинте [12].

Цінним вихідним матеріалом для створення скоростиглих і холодостійких ліній є міжродові гібриди [кукурудза х трипсакум]. Цей дикий родич кукурудзи відрізняється не тільки високим вмістом білку в зерні (до 35%), але й холодостійкістю — не пошкоджується весняними і осінніми заморозками, при яких повністю гинуть рослини кукурудзи [15].

Ефективний напрямок створення вихідного матеріалу — цілеспрямоване включення ліній і сортів пізньостиглих гетерозисних груп до ранньостиглих відселектованих форм [11].

У підвищенні генетичного різноманіття кукурудзи особлива роль належить синтетичним популяціям. Синтетики мають велике потенційне значення як Джерела цінної зародкової плазми для виведення високопродуктивних гібридів. Вони найбільш придатні для селекції на певні ознаки; стійкість до хвороб, висоти прикріплення початку, відсутність пасинків тощо [6]. Враховуючи вузький генофонд ранньостиглого вихідного матеріалу, особливої цінності надають ультраскоростиглим сортам [6].

У створенні і поліпшенні скоростиглих ліній кукурудзи, поряд зі стандартам методом, особливо актуальне використання в селекційному процесі має метод експериментального мутагенезу. За даними I.A. Раппопорта і інших дослідників, створення мутагенних сортів і ліній базується на великій частоті корисних мутацій, мобілізуючих ознаки, недоступні іншим методам [1]. Головною метою використання мутацій у кукурудзи є вихідний матеріал для селекції нових високопродуктивних гібридів. Основна увага при цьому приділяється мутантам, які відзначаються продуктивністю, високою комбінаційною здатністю, стійкістю до хвороб і вилягання, ранньостиглістю, високим вмістом білку.

Ефективність селекції на ранньостиглість можна посилити шляхом вико­ристання ліній і гібридів, які добре реагують на загущеність посівів [4,8]; швид­ко віддають вологу при дозріванні [5,13]; формують два початки [10]; холо­достійкі [5]. Підвищити насіннєву продуктивність можна за рахунок використан­ня сестринських ліній. Схрещування між собою відносно однорідних, генетично близьких сестринських ліній забезпечує одержання аналога лінії, але з підви­щенням від 35 до 95% насіннєвої продуктивності [2].

Пріоритетним напрямком може стати генна та клітинна інженерія, а саме — швидке розмноження генотипів, одержання гаплоїдних рослин при культиву­ванні репродуктивних клітин та швидка стабілізація сортів при переводі гап­лоїдів на диплоїдний рівень; подолання бар'єрів міжвидової несхрещуваності, введення в протопласти чужорідної інформації. Застосування біотехнологіі та генетичної інженерії для покращення кукурудзи включає культуру in vitro органів, тканин, клітин і протопластів, а також методики рекомбінантних ДНК, які дозволяють отримувати бажані спадкові зміни [14].

У кукурудзи, як і в більшості рослин, багаторазове примусове самозапи­лення призводить до значної депресії основних господарсько-цінних ознак. Го­ловною причиною таких наслідків близькородинного розмноження вважається набуття гомозиготного стану продуктів самозапилення. Однак, генетична гомо­зиготність спадкового матеріалу не завжди зумовлює депресію рослин. Тому проблему вихідного матеріалу для створення нових холодостійких самозапиль­них ліній, які на протязі декількох інбридингів зазнають незначної депресії за комплексом ознак і при цьому проявляють високу комбінаційну здатність, мож­на вирішити за рахунок залучення в селекцію нових джерел зародкової плазми.

Для виконання цієї мети ми застосовуємо два варіанти, одним з яких є: широкий підбір вихідного матеріалу, суворе його самозапилення і добір серед нащадків, які і при переході в гомозиготний стан зберегли, майже без зниження рівня, свої морфологічні ознаки.

Протягом 1995-2001 pp. в селекційних розсадниках лабораторії селекції та насінництва АДС НАУ для створення самозапильних ліній було використано біля тисячі нових джерел, серед яких гібриди як зарубіжної, так і вітчизняної се­лекції, а також синтетичні популяції, створені на основі ліній, одержаних з вико­ристанням методу періодичного добору.