«ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ РИСА ( ...»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ РИСА

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

На правах рукописи

УДК: 633.18:575:631.521+51.

ГОНЧАРОВА ЮЛИЯ КОНСТАНТИНОВНА

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ РИСА

(06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений ) Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Краснодар, 2014 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….. …………. 1. Повышение продуктивности культуры риса……………………….. Использование гетерозисного эффекта: успешный опыт 1.1.

и перспективные направления работ………………………………………. 1.2.Производство гибридов в Китае………………………………………….... 1.3. Причины, сдерживающие развитие гибридного риса………………... 1.4. Гибриды риса, культивируемые за пределами Китая…………………... 1.5. Разработка методов, снижающих стоимость получения гибридных семян……………………………………………………………………………. 1.6. Получение гибридных семян в странах, не применяющих рассадную технологию………………………………………………………………………… 1.7. Альтернативные пути использования гетерозисного эффекта……… 1.8. Методы, облегчающие поиск гетерозисных гибридных комбинаций ….. 1.9. Природа гетерозисисного эффекта ………………………………..….... 1.10. Использование гетерозиса межподвидовых гибридов в селекции риса ………………………………………………………………. 1.11. Повышение продуктивности межподвидовых гибридов риса……... 1.12. Сорта доноры генов WC…………………………………………….... 1.13. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica……. 1.14. Физиологический базис гетерозиса и высокой продуктивности, наследование признаков их определяющих у риса……………………….. 1.15. Возможность повышения урожайности риса за счет изменения фотосинтетического потенциала агрофитоценоза………………............ 1.15.1. Вариабельность фотосинтетической активности между видами и подвидами риса…………………………………………………… 1.15.2. Роль фотосинтетической активности соцветия в формировании урожая

1.15.3. Взаимосвязь фотосинтетических признаков с продуктивностью.. 1.15.4. Перспективы повышения фотосинтетического потенциала культуры посредством создания растений риса с C4 типом фотосинтеза….. 1.15.5. Наследование признаков определяющих эффективность фотосинтеза……………………………………………………………………… 1.15.6.Хлорофильные мутации…

1.16. Физиологические признаки, обеспечивающие адаптивность к абиотическим стрессам …………………………………………………........ 1.16. 1. Устойчивость риса к влиянию высоких температур………………... 1.16.2. Устойчивость к засолению у риса ……………………………………. 2. Условия материал и методика исследований………………………........ 2.1. Почвенно-климатические условия………………………………………... 2.2. Материал и методы исследований ……………………………………….. 2.2.1. Изучение влияния различных доз минерального питания и засоления ……………………………………………………………. 2.2.2. Методики изучения эффективности фотосинтеза отдельного листа……………………………………………………………… 2.2.3. Методика проведения исследований по влиянию высоких температур на продуктивность образцов риса………………………………………………… 2.2.4. Анализ озерненности гибридов между образцами, относимыми к разным подвидам ………………………………………………………………………... 2.2.5. Маркирование сортов риса проводили с использованием SSR маркеров…………………………………………………………………………. 3. Результаты и обсуждение. Повышение продуктивности культуры риса…………………………………………………………………………….. 3.1. Отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания………………………………………………………………………… Взаимосвязь скорости роста на начальных этапах развития с 3.2.

продуктивностью растений…………………………………………………… Скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов 3.3.

риса……………………………………………………………………………... Величина гетерозиса по скорости роста зародышевого корня и стебля 3.4.

(колеоптиля)……………………………………………………………………. Генетика признака скорость роста колеоптиля у проростков риса….. 3.5.

3.6. Генетика признака скорость роста зародышевого корешка у проростков риса …………………………………………………………………………….. 3.7. Возможность повышения урожайности риса за счет изменения фотосинтетического потенциала агрофитоценоза…………. …………… 3.7.1. Вариабельность относительного содержания хлорофилла у образцов риса в течении дня …………………………………………………………….142.

хлорофилла у коллекционных образцов, источников ценных признаков... риса при измерении его с помощью прибора Chlorofhyll meter (SPADСравнительный анализ содержания пигментов у сортов отечественной, итальянской и китайской селекции с использованием спектрофотометра 3.7.5. Сравнительный анализ генетического полиморфизма по удельной поверхностной плотности листа……………………………………………… 3.7.6. Сравнительный анализ генетического полиморфизма по скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2 у коллекционных образцов риса………

3.7.7. Оценка генетического полиморфизма по признаку «количество хлоропластов» …………….…………………………………………………... 3.7.8. Кластеризация сортов по вкладу генетической системы определяющей эффективность фотосинтеза………………………………

3.7.9. Воздействие стрессовых факторов на содержание пигментов у риса………………………………………………………………………........... зависимости от фазы развития и условий выращивания…………………… 3.7.11.

урожаев………………………………………………………………………… 3.7.12. Разработка методики ранней диагностики высокопродуктивных форм

поверхности листа» у риса………………………………..…………………... 3.7.14. Наследование признаков определяющих морфотип растения и архитектонику стеблестоя…………………………………………….………. 3.7.14. 1.Наследование признаков, определяющих угол наклона листа у риса ………………………………………………..……………….….. 3.7.14. 2. Генетика признака выход метелки у риса………………………..... 3.7.14.3. Наследования признаков, определяющих размеры флагового листа…………………………………………………

3.7.14. 4. Наследование признака "длина флагового листа"……………....... 3.7.14. 5. Наследование признака "ширина флагового листа"…………….... 3.7.15 Наследование признаков, определяющих содержание пигментов……………………………

3.7.16.

содержание пигментов………………………………………………………… 3.7.17.

содержание пигментов………………………………………………………... Генетическая система признаков, определяющих морфотип и 3.7.18.

фотосинтетическую активность растений риса……………………………. Полиморфизм российских сортов по локусам, определяющим 3.7.19.

интенсивность фотосинтеза в фазу созревания……………………………… Физиологические признаки, обеспечивающие адаптивность к 3.8.

абиотическим стрессам…………………………………………….. ……… 3.8.1.1 Анализ изменений температуры воздуха в период вегетации риса по данным метеостанции п.Белозерный………………………………………… 3.8.1.2. Физиологические аспекты влияния высоких температур на продуктивность риса…………………………………………………………. 3.8.1.3. Внутрисортовая специфика по устойчивости к высоким температурам у отечественных сортов риса………………………………………………… 3.8.1.4. Выделение линий устойчивых к стрессовому фактору……………. 3.8.1.5. Взаимосвязь между устойчивостью к фактору и стабильностью …

3.8.1.6. Воздействие высоких температур в фазу кущения……………………………………………………………………….... 3.8.1.7. Воздействие высоких температур в начальные фазы вегетации … 3.8.1.8. Наследование признака устойчивости к высоким температурам ………………………………………………………………….. 3.8.1.9. Взаимосвязь между устойчивостью к фактору и продуктивностью……………………………………………………………… 3.8.2. Устойчивость риса к засолению……………………………………... 3.8.2.1. Генетические системы, обеспечивающие устойчивость засолению у риса ……………………………………………………………… 3.8.2.2. Воздействие засоления в фазу проростков………………………... 3.8.2.3. Воздействие фактора «засоление» в фазу цветения………………. 3.8.2.4. Генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению у российских сортов риса различных групп спелости………………………... 3.8.2.5. Генетический полиморфизм систем аттракции, адаптивности и микрораспределений продуктов фотосинтеза у перспективных образцов риса …………………………………………………………………………..... 3.8.2.6. Разделение коллекционных образцов согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака……………… Разделение сортов отечественной селекции согласно реакции на 3.8.2.7.

стрессовое воздействие по комплексу признаков………………………….. использованием маркеров, сцепленных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам …

3. 9. Совершенствование методов селекции на гетерозис …………. 3.9.1. Использование культуры пыльников для закрепления гетерозисного эффекта у гибридов риса по методу В.А. Струнникова………

3.9.2. Селективная элиминация аллелей в культуре пыльников………... 3.9.3. Модифицированная методика закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях…………………………………………………….. Использование гетерозиса межподвидовых гибридов……... ……. 3.10.

Анализ озерненности гибридов между образцами, относимыми к 3.10.1.

разным подвидам ………………………………………………

3.10.2. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica….. 3.10.3. Маркирование российских сортов риса и доноров генов широкой признаком……………………………………………………………………… Характеристика полученного исходного материала с генами 3.10.6.

широкой совместимости WC………………………………………................. Характеристика сортов переданных на Госсортоиспытание ……... 3.11.

3.11.1. Сорт Ивушка…………………………………………………………... 3.11.2. Сорт Привольный – 4……………………………...………………….. 3.11.3. Сорт Крепыш …………………………………………………………. 3.11.4. Сорта с окрашенным перикарпом (Мавр и Гагат) ………………… 3.11.5. Результаты госсортоиспытания……………………………………… ВЫВОДЫ………………………………………………………………………. РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ………………… СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………...… ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………...

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Потенциал увеличения посевных площадей под рисом в большинстве стран исчерпан. Следовательно, только повышение урожайности может способствовать росту валовых сборов зерна. Ученые многих стран отмечали, что, несмотря на повышение устойчивости к болезням и вредителям, потенциал продуктивности вновь создаваемых традиционными методами сортов остается на уровне сортов выведенных еще в 60-е годы прошлого столетия.

урожайности культур: изменение морфотипа, применение гетерозиса и увеличение фотосинтетических показателей отдельного листа (Yuan L.P., 2002; Peng S., лимитированное увеличение урожайности, также как и использование гетерозисного эффекта без улучшения морфотипа (Yang J., 2002 Pend S., 1998). Применение новых селекционных технологий (как, например, генной инженерии) должно комбинироваться с хорошими морфологическими характеристиками и высоким гетерозисом, причем не по одному, а, как минимум, по ряду признаков, в том числе физиологических, определяющих продуктивность и адаптивность, в противном случае они не принесут значимого вклада в урожай.

комплексное изучение селекционного материала. Выделение доноров и источников эффективной работы генетических систем, определяющих адаптивность и продуктивность родительских форм создаваемых гибридов, изучение наследования признаков их определяющих, что обеспечит возможность прогнозирования величины признака при обьединении в вышеперечисленных генов.

повышения продуктивности культуры. Несмотря на то, что генетический и физиологический базис гетерозиса до сих пор дискутируется, многие морфологические и физиологические признаки, ответственные за его проявление известны. Фиксирование комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект, позволит создавать на основе генотипов гетерозисных гибридов сорта с аналогичной урожайностью, и при гибридизации этих сортов получить новое поколение гибридов с еще более высоким потенциалом продуктивности.

Исследования проводили в соответствии с заданиями государственных и ведомственных программ НИР по проблеме 0.51.15 (номер госрегистрации 880015414) и (номер госрегистрации 01880015403).

Цели и задачи исследований. Целью наших исследований являлось изучение генетического и физиологического базиса гетерозиса, наследования и полиморфизма признаков, определяющих его проявление, разработка методов фиксирования комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

- изучить отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, полиморфизм и наследование признаков, характеризующих скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса;

провести сравнительный анализ вариабельности относительного содержания хлорофилла, пигментов, удельной поверхностной плотности листа, скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2, количества хлоропластов коллекционных образцов риса и кластеризацию сортов риса по вкладу генетической системы, определяющей эффективность фотосинтеза;

изучить вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;

- провести анализ наследования признаков, определяющих эффективность фотосинтеза, обосновать включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений;

- выявить полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;

- изучить внутри и межсортовую сортовую специфику по устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы вегетации, выделить линии, устойчивые к этому стрессовому фактору;

- изучить наследование признака устойчивость к высоким температурам и взаимосвязь между адаптивностью к фактору и продуктивностью;

- изучить генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению российских сортов риса различных групп спелости, разделить коллекционные образцы риса согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков, для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака;

- провести молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам;

- создать исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов, изучить корректность отнесения российских сортов риса к подвиду indica;

-оценить закрепления гетерозисного эффекта гибридов риса по методу Струнникова В.А., усовершенствовать методы фиксации комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект, создать сорта риса с использованием методик закрепления гетерозисного эффекта.

Научная новизна исследований - изучен полиморфизм и наследование ряда признаков, определяющих физиологический базис гетерозиса: отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса, эффективность фотосинтеза;

- обосновано включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений, сорта риса кластеризованы по вкладу генетической системы определяющей эффективность фотосинтеза, изучена вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;

- выявлен полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;

- изучена меж и внутрисортовая специфика и наследование устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы вегетации, выделены линии адаптивные к стрессовому фактору;

- установлена взаимосвязь между устойчивостью к высоким температурам и продуктивностью, влияние цитоплазмы на устойчивость гибрида к воздействию высокой температуры;

- выявлен генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению у российских сортов риса различных групп спелости, выделены образцы, основной механизм солеустойчивости в фазу цветения, которых – снижение поступления солей в репродуктивные органы, коллекционные образцы риса кластеризованы согласно реакции на стрессовое воздействие;

- проведено молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам (засолению, низким температурам);

- установлена необходимость включения в перечень признаков, на основании которых проводиться разделение отечественных образцов на подвиды indica japonica, некорректно отнесенных образцов, создан исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов;

- впервые на растительном объекте показана эффективность метода закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях предложенного Струнниковым В.А. на организменном и молекулярном уровнях, разработана и запатентована модифицированная методика закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях, созданы сорта риса с ее использованием.

Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.

определяющих эффективность фотосинтеза, скорость роста, морфотип, устойчивость к высоким температурам, засолению, выделенные доноры и источники в дальнейшем будут использованы в селекции новых сортов риса с улучшенными характеристиками по перечисленным признакам.

Включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем, формирующих изменчивость количественных признаков, позволит более эффективно использовать создаваемые базы данных по вкладам генетических систем в продуктивность образцов.

Выявленый полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими хозяйственно ценные признаки, позволяет вести эффективную маркерную селекцию на изученные признаки, в том числе проводить интрогрессию ценных аллелей из выявленных доноров в перспективные сорта риса.

Разработанные методики выделения высокопродуктивных растений на ранних этапах развития, основанные на контроле вклада двух генетических систем: скорости роста на ранних этапах развития и содержания пигментов, позволят значительно сократить трудоемкость отборов в гибридных комбинациях, и гетерозисных комбинаций среди гибридного материала в традиционной и гетерозисной селекции.

Полученные данные о внутрисортовом полиморфизме позволят предотвратить снижение продуктивности сортов при высоких температурах путем отбора семей, минимально снижающих продуктивность при воздействии фактора.

Выявленное в пошаговом анализе минимальное количество признаков, позволяющих достоверно разделить образцы на группы согласно реакции на стресс, позволит проводить кластеризацию сортов с различным механизмом устойчивости к засолению с минимальными затратами.

Установленная необходимость включения в перечень признаков, на основании которых проводится разделение отечественных образцов на подвиды indica и japonica дополнительных характеристик позволит достоверно разделять образцы на подвиды.

Показанная эффективность метода закрепления гетерозиса гибридов в подтверждает его теорию о природе гетерозисного эффекта.

Разработанная и запатентованная модифицированная методика закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях может быть использована для экспрессного создания сортов различных культур.

усовершенствованных методов создания исходного материала и селекции подтверждается созданием на их основе сортов риса: длиннозерный Ивушка, крупнозерный – Крепыш, среднезерный – Привольный - 4, среднезерный с окрашенным перикарпом (черный) - (Мавр), длиннозерный с окрашенным перикарпом (черный) - (Гагат), короткозерный с окрашенным перикарпом (красный) - (Рыжик).

На защиту выносятся следующие положения:

- отзывчивость гетерозисных гибридов риса на уровень минерального питания, полиморфизм и наследование признаков, характеризующих скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса;

- включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем, формирующих изменчивость количественных признаков, кластеризация сортов риса по вкладу генетической системы, определяющей эффективность фотосинтеза;

- вариабельность общего содержания хлорофилла, пигментов, удельной поверхностной плотности листа, скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2, количества хлоропластов у коллекционных образцов риса, наследование признаков, определяющих эффективность фотосинтеза;

вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;

- полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;

- устойчивость российских сортов к высоким температурам в различные фазы вегетации, внутрисортовая специфика по устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса;

- наследование признака устойчивость к высоким температурам и взаимосвязь между адаптивностью к фактору и продуктивностью;

- генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению российских сортов риса различных групп спелости, результаты кластеризации коллекционных образцов риса согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков;

- молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам;

- эффективность использования культуры пыльников для закрепления гетерозисного эффекта гибридов риса по методу Струнникова В.А.;

- усовершенствованная методика фиксации комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект;

- характеристика исходного материала с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов, методика отнесения российских длиннозерных сортов к подвидам риса.

- результаты создания сортов риса с использованием методик закрепления гетерозисного эффекта.

Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались на ежегодных отчетно-плановых сессиях ВНИИ риса (1990- «Генетические ресурсы культурных растений» (Санкт-Петербург, 2001 г.), Менделевском конгрессе (Брно, 2000г.), Симпозиуме « Генетические ресурсы и селекция риса для стран с умеренным климатом (Краснодар, 4-ом Международном симпозиуме по гибридному рису (Ханой, 2001);

Вьетнам, 2002 г.); 2-ой конференции Московского общества генетиков и селекционеров (Москва, 2003 г.); научно практической конференции «Экология. Медицина. Образование» (Краснодар, 2000 г.); Международной научно практической конференции «Теория и практика гетерозисной селекции растений» (Харьков, 2003г); Международной научно практической конференции «Актуальные проблемы экологии в условиях современного мира» (Майкоп, 2001г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы, научное обеспечение и перспективы развития рисоводства в 21 веке» (Краснодар, 2003); Международной растениеводстве », (Краснодар, 2004); Конференциях грантодержателей регионального конкурса РФФИ и администрации Краснодарского края «Юг России» « Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (с 2003 по 2010 гг);

Второй конференции московского общества генетиков и селекционеров им.

Вавилова посвященной 115- летию со дня рождения академика Н.И.

Вавилова. (Москва, 2003); Третьем сьезде генетиков и селекционеров России « Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы развития»

(Москва, 2004г.); Международной конференции «Интеграция науки и технологии для устойчивого развития растениеводства (Бангкок, 2008);

Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Москва, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2008, Международном симпозиуме «Нетрадиционное растениеводство.

2009);

Селекция. Эниология. Экология и здоровье» (Симферополь, 1999, 2000, 2001, 2003, 2007, 2008, 2009, 2011); Международной научно-практической конференции «Проблемы ресурсосберегающего производства и переработки экологически чистой сельскохозяйственной продукции» (Краснодар, 2006);

Международной научно-практической конференции « Вавиловские чтения»

(Саратов, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Агрохимия почвоведение история и современность» (Краснодар, 2009); международном симпозиуме по генетике риса (Манила, 2009); Пятом сьезде ВОГИС (Москва, 2009), Конференция кубанского общества генетиков и селекционеров (Краснодар, 2009, 2011); Международной конференции «Гетерозису у растений» (Штутгарт, Германия, 2009 г.); Третьем международном симпозиуме по рису (Ханой, 2010); Международной научной конференции « Значение научного наследия Академика ВАСХНИЛ и РАСХН М,С. Дубинина в современных работах ученых России РГАУ – МСХА им. К.А. Тимирязьева (Москва, 2011); Международной научнопрактической конференции «Основные направления селекции и современные технологии повышения адаптационного потенциала культуры риса в странах умеренного климата » (Краснодар, 2011); 6 cимпозиуме по гибридному рису (Индия, Хайдеробад, 2012 ); Международной конференции « Молекулярное маркирование и маркерная селекция» (Австрия, Вена, 2012); Международной конференции «Устойчивость растений к абиотическим стрессам» (Австрия, Вена, 2012).

Публикация результатов исследований. Основные результаты исследований опубликованы в 120 работах, общим объемом более печатных листов, из них 27 работ в изданиях рекомендованных ВАК, 13 – на английском языке, в том числе главы в книгах «Гибридный рис для обеспечения пищевой безопасности, борьбы с бедностью и защиты окружающей среды» (Hybrid rice for food security, poverty alleviation, and environmental protection, 2003 г), и Ускорение развития технологии получения гибридного риса «Accelerating Hybrid rice development, 2010г. ») изданных международным институтом риса (Philippines); 2 монографиях «Использование культуры пыльников в селекции риса», « Вариабельность, наследование и связь с продуктивностью признаков, определяющих эффективность фотосинтеза у риса », Краснодар, 2013 г., получено авторских свидетельства на сорта риса, 1 патент на изобретение, 3 на сорта риса.

Структура работы. Диссертация изложена на 420 страницах текста компьютерного исполнении и состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, рекомендаций для селекции и производства, списка использованной литературы и приложения. Экспериментальный материал представлен в виде 173 таблицы, 107 рисунков. Список использованной литературы включает 423 источника, из них 226 на иностранных языках.

1. ПОВЫШЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ РИСА

Потенциал увеличения посевных площадей под рисом в большинстве стран исчерпан. Следовательно, только повышение урожайности может способствовать росту валовых сборов зерна (Guohui М., Yuan Longping, 2002).

Однако ученые многих стран отмечают, что, несмотря на повышение устойчивости к болезням и вредителям, потенциал продуктивности вновь создаваемых традиционными методами остается на уровне сортов выведенных еще в 60-е годы прошлого столетия. Практика селекции показала, что основные пути повышения урожайности культур: изменение морфотипа, применение гетерозиса и увеличение фотосинтетических показателей отдельного листа (Yuan L.P., 2002; Peng S., 2000; Ковалев В.С., 2011; Костылев П.И., 2004).

Так «Зеленая революция» позволила в 60-х годах прошлого столетия значительно увеличить урожайность риса за счет изменения морфотипа растений, применения сортов, отзывчивых на высокие дозы удобрений, расширения орошаемых площадей.

Следующий этап повышения урожайности культуры в конце 70-х начале 80-х годов прошлого столетия был следствием широкого промышленного получения гибридов риса. Использование гетерозисных гибридов позволило значительно увеличить урожайность многих культур и перешагнуть барьер повышения их продуктивности ( Балков И.Я., 1978; Балков И.Я. и др., 1997;

Дзюба В.А.,1975; 1987).

Однако только изменение морфотипа дает лимитированное увеличение урожайности, также как и использование гетерозисного эффекта без улучшения морфотипа (Yang J., 2002; Pend S., 1998). Применение новых селекционных технологий (как, например, генной инженерии) должно комбинироваться с хорошими морфологическими характеристиками и высоким гетерозисом, причем не по одному, а по ряду признаков, в том числе физиологических, определяющих продуктивность и адаптивность, в противном случае они не принесут значимого вклада в урожай. С другой стороны ускорение селекционного процесса в дальнейшем связано с прогрессом в генетике, биотехнологии, физиологии и дальнейшем взаимопроникновении этих дисциплин.

Для проявления гетерозисного эффекта гибрид должен нести не только гены повышающие продуктивность, но и комплекс факторов повышающих устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам, эффективность фотосинтеза, скорость роста.

Маркерная селекция, как правило, позволяет стабилизировать урожайность в стрессовых условиях, но не повышает потенциал продуктивности создаваемых сортов, поскольку облегчает интрогрессию отдельных генов. Чаще всего это гены адаптивности к биотическим и абиотическим стрессам.

Агротехнические приемы, повышающие урожайность, способствуют реализации потенциала продуктивности сортов, но также не позволяют его повысить.

1.1. Использование гетерозисного эффекта: успешный опыт и Гибриды риса впервые в производственных масштабах были получены в Китае в 1973 году (Yuan L.P, 2002). Гетерозисные гибриды не только превосходят лучшие сорта традиционной селекции по урожайности в среднем на 20-50%, но и имеют увеличенное содержание белка в зерне, а также обладают повышенной адаптивностью к неблагоприятным факторам внешней среды. Производители гибридов отмечают их большую устойчивость к засолению, повышенным или пониженным температурам, вредителям и болезням в различные фазы развития.

Так, в Индии отмечена, как правило, большая устойчивость гибридов к абиотическим стрессам. При этом 14% из 65 сортов и 42 % из изучаемых гибридов были устойчивы к недостатку воды в период вегетации (продуктивность их была в условиях стресса на 15-20 % выше, чем у сорта стандарта) (Viraktamath B.C., 2010).

Taблица 1 – Гибриды устойчивые к абиотическим стрессам (Viraktamath B.C., 2010) Защелачивание Suruchi (MPH-5401), PHB-71, JKRHCRHR-5, DRRH-2, DRRH- Прибавка урожая из расчета на гектар составляет 1-2 тонны. Внедрение гибридов позволяет Китаю получать дополнительно 22 млн. тонн риса, не увеличивая, а сокращая посевные площади. Промышленное производство гибридов позволяет ежегодно получать Индии, у которой посевные площади под гибридами сравнимы с таковыми под рисом в нашей стране, дополнительно 450-500 млн. долларов, больше, чем все другие гибридные культуры совместно (Mao C.X. and Virmani S.S., 2002).

Общая площадь, занятая посевами риса в Китае, 30 миллионов гектаров. Посевы гибридов занимают более половины всех посевных площадей риса (16 млн. га). Средняя урожайность риса по стране - 6,2 т/га, гибридов- 6,9 т/га, сортов- 5,4 т/га. Причем средняя урожайность, как гибридов, так и сортов, за последние 25 лет, возросла на 62 % и 54 % соответственно. Продуктивность гибридов во все годы была выше урожайности сортов традиционной селекции. В то же время процент превышения значительно варьировал от 21,1 % до 53,2 %, достигая максимума в неблагоприятных условиях (Yuan L.P., 2002).

Таблица 2 - Площадь внедрения и урожайность гибридов риса в Китае (1976Yuan L.P., 2002) Рост продуктивности гибридов в Китае связан с работой над двумя программами: создания с 1981 двухлинейного риса с использованием термо и фото чувствительных стирилизующих цитоплазм; создания супер гибридов риса с 1996. Уже к 2010 году площадь под двухлинейными гибридами риса была 3,5 млн. гектаров, что составляет около 20 % площадей под всеми гибридами.

Супер гибриды риса, селекция которых начата 1996 году, должны сочетать в себе сверхвысокий гетерозис межподвидовой гибридизации с новым морфотипом (NPT) и пирамидированными генами устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам. К 2011 году они занимали 6,6 млн.

га со средней урожайностью 9 т/га к их числу относят 52 гибрида.

Максимальные площади занимают 3 гибрида из этой группы их название и происхождение приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Супер гибриды риса с максимальными площадями возделывания (Cheng Shihua, 2012).

Супер гибриды Материнская форма Отцовская форма Селекционная работа в Китае проводится в нескольких направлениях:

создаются как сорта, так и гибриды двух и трех линейные (таблица 4).

Таблица 4 - Сорта и гибриды зарегистрированные в Китае (Cheng Shihua, 2012).

Потенциал продуктивности вновь создаваемых гибридов растет по мере создания новых более урожайных сортов традиционной селекции (Cheng Shihua, 2012) Испытания нового поколения гибридов (супергибридов риса) начались в Китае с 2000 года. Испытания приводились в различных местностях на участках от 6,7 до 67 га каждый. Средняя урожайность гибридов на демонстрационных посевах составляет 10,5 т/га. Урожайность на участках коммерческого производства (1,2 млн. га.) в 2001 г. составила 9,2 т/га.

У некоторых гибридов на экспериментальных участках урожайность была 12т/га. В целом потенциал продуктивности нового поколения гибридов, широкое производство которых начато в 2005 г, превышает таковой в гибридных комбинациях первой волны на 15-20 % и составляет 12 т/га.

К 2011 году площадь под гибридным рисам в Китае достигла 18 млн.га (60 %). Максимальные площади под гибридным рисам были в 2005 году до 19 млн. га., около 70 % от всех площадей под рисом в стране ( рисунок1 ).

Рисунок 1- Посевные площади под гибридами риса в Китае. Верхний график посевные площади гибридов риса, нижний- процент от площадей под Основное внимание на данном этапе уделяется расширению посевных площадей гибридов на севере Китая (4,5 млн. га), где главным образом выращивается рис японского подвида и гибриды занимают только 10 % посевных площадей. Отмечен недостаток в получении гетерозисных комбинаций подвида japonica, адаптированных к северу Китая, а также повышения качества и уменьшения периода вегетации существующих гибридов, а также внедрение межподвидовых гибридов (Ma Guohui, Yuan Longping, 2002;Yuan Longping, 2012).

В настоящее время реализован только один гибрид подвида japonica на национальном и 8 на региональном уровне. У лучшего из них Yongyou 12 в 2011 году на площади 6,6 га зарегистрирована урожайность 13,65 т/га.

Максимальная урожайность этого гибрида отмечена в провинции Zhejiang 14,15t/ha. Этот гибрид занимает около 3 % площадей риса подвида japonica в Китае (Cao Liyong, 2012).

1.3. Причины, сдерживающие развитие гибридного риса В докладе руководителя программы по гибридному рису (Fan Min, 2012) в Международном институте риса отмечено снижение активности государственного сектора по внедрению гибридов в производство (таблица 5).

Таблица 5 - Тенденции развития гибридного риса (Fan Min, 2012) Исследования Комерциализация Основными причинами, сдерживающими развитие гибридного риса, остаются трудность получения их семян, необходимость повышения устойчивости образцов к болезням и вредителям, и качества зерна, недостаток квалифицированных кадров.

Для получения гибридных семян в Китае и других станах, применяют рассадную технологию. Растения ЦМС линий высаживаются в возрасте 15- дней вручную в поле на расстоянии 20 см одно от другого, позднее в 3 срока (для синхронизации цветения) высаживаются опылители. Данную технологию применяют в Азии и для выращивания традиционных сортов.

Это позволяет не только сократить количество высеваемых семян на гектар (с 200-250 кг в Росии, до 15 - 20 кг в Азии), но и значительно улучшить экологическую обстановку, так как не приходится использовать гербициды для борьбы с сорняками. Перед посевом растений риса при таком способе производства сорняки уничтожаются полностью при перепахивании, а с вновь вырастающими подросшие растения риса могут успешно конкурировать.

Производство гибридного риса требует систематического, комплексного подхода, более тщательного, чем у сортов, и даже чем у других культур при получении гибридов. Отсутствие контроля на любом этапе производства семян, может значительно сократить урожай, снизить чистоту полученного материала, а также повысить цену на гибридные семена. Так, в 1975 г. при промышленном получении гибридных семян получали всего кг/га. По мере роста квалификации персонала, а также получения линий с улучшенными характеристиками цветка и других признаков, влияющих на величину аллогамии, также росли и показатели урожайности гибридных семян, достигшие к 1990 году 2,25 т/га (Mao C.X., Virmani S.S., 2002). К году в Китае средняя урожайность достигла 2,7 т/га и 1-1,5 т/га за пределами Китая. Перед учеными Китая поставлена задача - повысить выход гибридных семян до 3 - 4,5 т/га, а также снизить их цену. Самый высокий урожай семян 4,8 т/га получен в Индии на небольшом участке, что подтверждает возможность значительного увеличения существующих показателей при получении семян гибридов.

Другим фактором сдерживающим развитие гибридного риса является низкое качество крупы, получаемой из гибридов, не отвечающее требованиям многих стран потенциальных производителей риса. Однако отмечено, что оно во многом зависит от используемых родительских линий и их признаков качества. С улучшением характеристик компонентов скрещивания повышается и качество семян гибрида. Уже созданы и родительские формы, и гибриды с улучшенными характеристиками (таблицы 6 -7).

Таблица 6 - Качество Индийских гибридов риса (Viraktamath B.C., 2010) Гибрид Выход Выход Выход Отношение Содержание Таблица 7 - Качество ЦМС линий первого и второго поколения гибридов риса (Cheng Shihua, 2012).

зерновки к ширине 1.4. Гибриды риса, культивируемые за пределами Китая К 2001 году около 20 стран уже начали собственные селекционные программы по гибридному рису, налажено производство около 40 гибридов.

Наибольших успехов в данном направлении добились страны: Китай, Вьетнам, Индия, Филиппины, США, Бангладеш. Посевные площади под гибридами риса приведены в таблицах 8 - 9 (рисунок 2).

Таблица 8 - Посевные площади под гибридами риса в тропиках, тыс. га.

( Mao C.X. and S.S.Virmani, 2002) Индия 60,000 100,000 130,000 150,000 200,000 200, Вьетнам 127,71 187,700 200,000 233,000 340,000 450, Общее 187,71 287,700 356,000 383,000 562,000 656, Таблица 9 - Статус гибридного риса в странах с его максимальным производством (Long Y., 2012 ).

Страна рисом 2009г, млн.га.

гибридами риса,% Рисунок 2 - Рост площадей под гибридным рисом (млн.га.) в Китае (верхний график) и за пределами Китая (нижний) в период с 1976 до года (Long Y., 2012 ).

Национальные программы по гибридному рису приняты во многих странах Юго-западной Азии. При помощи IRRI ежегодно проводятся курсы подготовки и консультации по селекционным и семеноводческим вопросам производства гибридов риса (Virmani S.S., 2002).

После Китая в 1996 гибриды заняли максимальные площади во Вьетнаме. Китай и Вьетнам обладают сходными климатическими условиями. Коммерческий успех Китая в производство гибридов риса воодушевил ученых Вьетнама к адаптации этой технологии для увеличения их урожая в стране, особенно на орошаемых площадях дельты Красной реки. Несколько Китайских гибридов было интродуцировано во Вьетнаме, и их урожайность значительно превышала таковую местных сортов. В году была закуплена партия семян гибридов, достаточная для посева на площади 86000 га и роздана фермерам дельты Красной реки. Урожайность гибридов изучалась 1993-1995 г, и была выше, чем у сортов летом на 36,6 а зимой на 24,5 - 81,1 % (Nguyen Tri Hoan, 2012).

Однако производство гибридов полностью зависело от импорта Китайских семян, стоимость которых значительно превышает таковую семян сортов. Кроме того, закупленные гибриды были чувствительны к коричневой цикадке и бактериальному ожогу. В сотрудничестве с международным институтом риса (IRRI) данные трудности были преодолены. Интродуцированные из IRRI гибриды и родительские линии были более приемлемы для выращивания в условиях Вьетнама, как для дельты Красной реки, так и для реки Меконг, так как показали большую устойчивость к коричневой цикадке и бактериальному ожогу. Налажено производство собственных гибридов. Сейчас посевные площади во Вьетнаме под гибридным рисом увеличиваются с каждым годом, в 2001 г они достигли 450 000 га, к 2011 году 585 000 га (урожайность 6,7 т/га) (Nguyen Tri Hoan, 2012).

Всего в Индии рис выращивают на 44 млн. га, производя до 100 млн. т зерна в год. Однако для того чтобы удовлетворить растущие потребности страны необходимо уже к 2025 году производить около 130 млн.т., хотя как и в других странах отмечено снижение темпа роста урожайности вновь создаваемых сортов, уменьшение и деградация природных ресурсов (воды, почв и т.д.). В связи с этим в 1989 году в Индии была принята программа по гибридному рису. К 2011 году, открыто 11 исследовательских центров, продуктивности гибридов проводится в 35 регионах страны. Для районирования гибрид должен превосходить стандартный сорт на 10 %, а гибрид на 5 %. За период с 1994 по 2001 годы в стране было получено гибридов, причем 9 из них совместно с Международным институтом риса (Viraktamath B.C., 2012). Всего в Индии реализовано 46 гибридов, 29 из них создано селекционерами государственного сектора и 17 – частного (таблицы 10 -11).

Таблица 10 - Гибриды, созданные в Индии до 2011 г (Viraktamath B.C., 2012).

Сектор Районированные на национальном Районированные на Государ- KRH 2, Pusa RH 10, DRRH 2, Rajlaxmi, PSD 3, Ajay, CoRH 3, ственный Sahyadri 4, DRRH 3, CRHR 32 Indira, Sona, JRH Частный PHB 71, PA 6129, PA 6201, PA 6444, JKRH 401, Suruchi, GK 5003, DRH 775, Taблица 11 - Урожайность сортов и гибридов в Индии (т/га) ( Janaiah A., Xie F., 2010).

Собственные гибриды создаются в таких странах, как Вьетнам, Филиппины, Бангладеш, Индонезия, США (таблица 12).

Таблица 12 – Гибриды, созданные за пределами Китая (Xie F., 2012).

Страна Количество гибридов Годы получения Совместно с IRRI компания Rice Tec. Inc., создала 6 гибридов, производство которых может быть полностью механизировано.

Программа создания гибридного риса в Египте принята в 1987 году. Но поскольку урожайность сортов стране очень высокая, гетерозис в гибридных комбинациях очень редко достигает 15 %. Только недавно выделены гибриды с гетерозисом 10-15 % на проблемных почвах. Общая площадь под гибридами в Египте - 25 000 га.

В Японии, где программа создания гибридного риса принята году, площади под гибридным рисом незначительны. Компания по гибридному риса Mitsui Co создала 2 гибрида на 15-20 % превышающих урожайность местных сортов. Однако производство семян в стране экономически не оправдано (Viraktamath B.C., 2012).

В Индонезии с 1986 создано 35 гибридов, площадь под ними га. Однако отсутствие поддержки со стороны правительства сдерживает развитие отрасли (Hari Prasad A.S., 2012).

В России из-за неблагоприятных условий в период цветения и отсутствия дешевой рабочей силы гибриды не производятся, несмотря на то, что были созданы стерильные линии (Подольских А.Н., 1989), восстановители фертильности (Гончаров С.В., 2005), найдены гетерозисные комбинации (Гончарова Ю.К., 2001).

1.5 Разработка методов, снижающих стоимость получения В настоящее время для создания трехлинейных гибридов используют 9 стерилизующих цитоплазм (Long Y., 2012):

1. WA type wild abortive (Hainan) 2. G type Gambiaka (west Africa) 3. D type indica Dissi (D52/37) 4. ID type Indonesia 6 (Indonesia) 5. DA type dwarf wild ( Jiangxi) 6. K type japonica rice (K52) 7. HL type red-awned wild rice 8. BT type Chinsurah BoroII/Taichong 9. DT type japonica rice (Taibei 8) Плохой выход метелки значительно сокращает озерненность стерильных линий, так как для многих стерилизующих цитоплазм характерно сокращение длины верхнего междоузлия. Около одной трети метелок не выходит из влагалища флагового листа у стерильных линий 97A, V20A, Ya ZA, Wu10 А.

Для увеличения выхода метелки при производстве гибридных семян используют гибберелловую кислоту, что является одной из главных причин их высокой цены, а также способствует снижению качества получаемого материала и загрязнению окружающей среды.

Использование гибберелловой кислоты значительно повышает цену гибридных семян, и снижение ее количества вносимого на гектар является основной целью исследований проводимых в Индии и Вьетнаме. Раннее проведенные исследования показали, что выход метелки увеличивается по мере повышения количества вносимой гибберелловой кислоты (GАЗ) до г/га, причем возрастает и выход рылец. Установлено, что обработка смесью GАЗ и 0,5 % борной кислоты увеличивает озерненность гибридов до 30,1 %, по сравнению с контролем 24 %. Значительно снижает цену гибридных семян применение мочевины (1 %), борной кислоты (1 %), сульфата цинка (0,1 %), бифосфата калия (0,2 %) в комбинации с гиббереллиновой кислотой 30 г/га, не снижая выхода гибридных семян (Pandey М.Р. et al., 2002).

Другой метод решения данной проблемы предложен китайскими учеными: применение мутантных форм с геном eui увеличивающим длину верхнего междоузлия (Yang L. et al., 2002). Идентифицировано две пары рецессивных генов неаллельных друг другу eui 1 и eui 2, которые расположены соответственно в 5 и 10 хромосоме. Ген eui 1 увеличивает длину 1,2,3 междоузлия, eui 2 только размер верхнего междоузлия. Присутствие данных генов не только обеспечивает полный выход метелки, но и увеличивает ее длину, длину колосков, выход и продолжительность чувствительности рылец, а также восприимчивость растений к гибберелловой кислоте. Эффект гена eui 1 значительно варьирует в зависимости от условий среды по сравнению с eui 2. Гены увеличивают выход метелки соответственно на 5-10 см и 3-5 см, возрастает также число зерен на метелку и масса 1000 зерен на 0,5-1,5г, уменьшается количество соцветий на м 2 (Yang Rencui et al., 2002).

Во многих странах создаются линии с высокой аллогамией для увеличения выхода гибридных семян таблица 13.

Таблица 13 - Величина аллогамии ЦМС линий (Chen Shihua, 2012)

WA ID WA

реализованных гибридов Создание гибридов с использованием ЦМС (цитоплазматической мужской стерильности) подразумевает использование линий восстановителей фертильности и закрепителей стерильности.

использование фото или генной мужской стерильности позволяющее отказаться от поиска или создания восстановителей фертильности и закрепителей стерильности. Идентифицировано 3 гена (pms1, pms2, pms3) фоточувствительной генной мужской стерильности (ФГМС), которые расположены в 7, 3 и 12 хромосомах соответственно (Lu Xing-Gui, 2002).

Пять генов (tmsl, tms2, tms3, tms4, tms5) термочувствительной генной мужской стерильности (ТГМС), которые расположены в 8, 7, 6, 9 и хромосомах соответственно. Данные линии могут быть идентифицированы в поле, когда температура на 1-2 градуса ниже или выше чем обычно.

Найдены молекулярные маркеры для идентификации экологической генной мужской стерильности.

При термочувствительной ГМС растения фертильны при низких ( °С) и полностью стерильны при высоких температурах (28°С). Стерильность фоточувствительной ГМС наблюдается при длинном дне (более 15 часов), фертильность - при коротком дне (менее 14,5 часов). Применение ТГМС и ФГМС частично облегчает задачу создания гетерозисных гибридов по сравнению с использованием ЦМС (цитоплазматической мужской стерильности), так как не требует поиска восстановителей фертильности, но тем не менее, также требует создания или поиска линий с высокой аллогамией - проблемы, наиболее актуальной для всей гетерозисной селекции риса. Большинство генов вызывающих ТГМС или ФГМС рецессивны, но найдены линии с доминантными генами. Температура, трансформирующая фертильность, индивидуальна для различных линий.

Одной из задач селекционеров является поиск линий с широким «коридором» стерилизующих условий, обеспечивающих более стабильное получение гибридных семян.

Гены фоточувствительной и термочувствительной генной мужской стерильности переносятся в элитные и перспективные линии в таких странах как Филиппины, Бангладеш, Китай, Шри-Ланка, Египет, Индия, Вьетнам.

Такие страны как Бангладеш, Иран, Шри-Ланка, Египет, Индонезия испытывают линии, полученные в IRRI (Xie, R. et al, 2002).

В 2001 году реализовано для производства в коммерческих масштабах 32 различных двухлинейных гибрида, испытания которых проводились в различных регионах. Размножают данные линии осенью или зимой или при поливе холодной водой. Они также могут быть размножены в высокогорных условиях. Двухлинейные гибриды в Китае по урожайности превосходят традиционные трехлинейные на 5 - 10%. В 2011 году из 353 сортов риса созданных в Китае 51 двух – линейный гибрид реализован на региональном уровне и 6 на национальном (Cao Liyong, 2012) 1.6. Получение и производство гибридных семян гибридов в странах, Одним из методов позволяющих отказаться от рассадной технологии является применение разбросного посева гибридных семян. Была отмечена лучшая способность к кущению у гибридов по сравнению с сортами, позволяющая сократить количество высеваемых семян до 30 кг/га. Подобный метод применяется в производстве гибридов в Японии, Корее, США. Однако отмечено, что при механизированном посеве невозможно использовать несколько его сроков, и возникает необходимость подбора синхронно цветущих родительских линий. Для этих целей в Бразилии ежегодно испытываются 2000-3000 гибридов, из которых 200 отбирается для дальнейшего изучения (Taillebois J., Maronezzi A., 2002). Кроме того, создаются 400- исследованиях возрастает в ряду гибридов japonica/japonica (7-13 %), indica/indica (18-23 %), japonica/indica (42-47 %). Однако достаточно часто межподвидовые гибриды характеризуются высокой стерильностью, преодолеть которую возможно путем введения генов широкой совместимости (WC), препятствующих абортации гамет. Линии подвида japonica чаше несут гены широкой совместимости, чем подвида indica. Найдены молекулярные маркеры, тесно связанные с данными локусами, что облегчает поиск линий, обладающих генами WC.

Предложен разбросной метод посева для растений на стадии 4-5 листьев.

Данный метод позволяет значительно сократить трудоемкость процесса, по сравнению с рассадной технологией. Кроме тoгo, уменьшается время, необходимое для закладки метелки и кущения, что сокращает вегетационный период. Однако при этом способе уменьшается количество колосков на метелку, но увеличивается число продуктивных стеблей и колосков на площадь поверхности (Chen Ren-Tian et al., 2002). Данный метод может быть с успехом применен и в России на участках с плохой полевой всхожестью семян.

Для уничтожения линии опылителя предложено введение гена устойчивости к гербициду в стерильный образец, что позволяет легко уничтожить опылитель после цветения, опылив посевы гербицидом. Причем для получения гибридных семян высевают в соотношении 4:1 стерильную линию и восстановитель фертильности или закрепитель стерильности (Hak Soo Suh et al., 2002). Этот же метод, предложен для уничтожения краснозерных форм.

1.7 Альтернативные пути использования гетерозисного эффекта Эффект гетерозиса, как известно, максимально проявляется лишь в первом поколении и не передается по наследству. В связи с этим особую значимость представляет проблема закрепления гетерозиса в поколениях (Авдеев Ю.И., 1997).

В мире не предложено реализованных подходов к закреплению гетерозиса гибридов в последующих поколениях, хотя исследования данной проблемы признано приоритетным. Многие лаборатории работают над ее решением, посредством создания апомиктично размножающихся форм (Петров Д.Ф.,1982; Сеилова Л. Б., 1984; Тырнов В. С., 2000; Авдеев Ю.И., 1997). Различают лабильный и фиксированный гетерозис. Если лабильный проявляется лишь в первом поколении и затухает в последующих, то фиксированный закрепляется в генетических системах организма (Семенов О.Г. и др, 2003). Закрепление гетерозиса может быть осуществлено путем перехода организмов на разные формы бесполого размножения. Бесполым путем преимущественно размножаются картофель, многие сорта плодовых, земляника, сахарный тростник, бананы и др. (Петров Д. Ф., 1988). У многих цитрусовых имеет место псевдогамия, при которой опыление цветков стимулирует развитие особи; сами семена и плоды возникают путем апогамии. Явление апогамии распространено среди трав. Сочетание гетерозиса с апогамией создает новые возможности для селекционного использования продуктивных гибридных форм.

Для растений, размножающихся семенами, проблема закрепления гетерозиса находится в стадии теоретических исследований. Считается, что наиболее эффективными способами решения проблемы закрепления гетерозиса у растений являются такие, как перевод гетерозисных гибридов на путь устойчивого апомиктического размножения и полиплоидизация гетерозисных гибридов, в результате которой скорость гомозиготизации в поколениях снижается (Тырнов В. С., 1994). Основой закрепления гетерозиса у аутополиплоидов является предпочтительная конъюгация и направленное расхождение хромосом в мейозе гетерозиготного автотетраплоида (Aa, Aa), ведущие к постоянному образованию гамет типа Aa, т.е к сохранению постоянной гетерозиготности (Мирюта Ю.П., 1965).

Возможный механизм повышения урожайности – существование генетических путей закрепления гетерозиготности в сорте. Один из таких путей – возникновение совмещения в локусах хромосом доминантных и рецессивных аллелей генов (например) что может происходить при неравном кроссинговере. У тетраплоидов равновесное закрепление разных пар аллелей связывают с закреплением гетерозиса (Авдеев Ю.И., 1997). Потомство гибридных растений F 1, полученное некоторыми исследователями методом культуры пыльников, соответствовало по своим характеристикам гибридам.

Априори гетерозис, полученный на основе явления доминирования, может быть зафиксирован этим способом, что является теоретической основой для его закрепления (Narayanan T, Virmani S., 1996). Предложено несколько альтернативных путей использования гетерозисного эффекта гибридов. Один из них - закрепление гетерозиса различными методами. В связи с этим обсуждается возможность получения вегетативно размножающихся многолетних растений риса. Среди диких родственников Orysa sativa L.

существует несколько многолетних корневищных форм, например Orysa longistominata. Генетический анализ показал, что гены, ответственные за формирование корневища расположены в третьей и четвертой хромосомах и ассоциированы с локусами OSR 16, RM 119 соответственно (Hu F. et. al., 2002). О гибридизации данных видов сообщалось неоднократно, но из-за тесной взаимосвязи признаков определяющих развитие корневища и признаков, определяющих низкую семенную продуктивность. Формы, сочетающие в себе высокую продуктивность и способность к вегетативному размножению, выделить пока не удалось.

Другой метод стабилизации гетерозиса апомиктичное размножение гибридов также предложен уже давно (Тырнов В.С.,1994; 1998). Проблема апомиктического размножения является одной из центральных в репродуктивной биологии растений и имеет существенное значение для усовершенствования методов селекции и повышения качества новых сортов, особенно у растений-перекрстников (Фоменко Н. Р., 2003). Являясь своеобразной формой семенного размножения, происходящей без слияния гамет, апомиксис обеспечивает материнскую наследственность, однородность потомства и высокую семенную продуктивность в неограниченном ряду поколений. В силу специфических особенностей цитологического и эмбриологического порядков, апомиксис способствует длительному сохранению желательных признаков, позволяет копировать ценные генотипы и фиксировать эффект гетерозиса (Петров Д. Ф., 1976; 1979).

Создание апомиктов привело бы к коренному перелому в селекции, поскольку удалось бы закрепить и довести до производства удачное сочетание высокого урожая и качества, ликвидировать сложную проблему поддержания компонентов гибрида, удовлетворить потребность промышленного производства в подборе отвечающих ему генотипов, а семеноводство "сделать простым и дешевым" (Балков И. Я., 1978; 1997;

Петров Д. Ф., 1982) Существует ряд подходов к решению этой проблемы, основанных на поиске и экспериментальном получении апомиктичных форм среди селекционных материалов (Подвигина О.А., 1994) при инцухтировании в высокогорных условиях самофертильных форм (Сеилова Л.Б., 1996), и опылений пыльцой, облучнной высокими дозами гамма-радиации (Богомолов М. А., 2000).

Апомиксис, или бесполое размножение известен более чем у 300 видов, включая и родственные рису: кукуруза, сорго, пшеница (Сеилова Л. Б., 1984).

Однако у наиболее близких родственников апомиктичное размножение не обнаружено (Тырнов В.С., 2000а; Сеилова Л. Б., 1989). Вместе с тем, многие вопросы, связанные с причинами возникновения апомиктичных растений, особенностями формирования эмбриональных структур, изменяющих процесс полового размножения, остаются до сих пор не выясненными (Жужжалова Т. П. и др., 2001; Сеилова Л. Б., 1984, Подвигина О.А. и др., 1994).

размножающихся форм путем апоспории или образование адвентивного эмбриона. При апоспории зародыш образуется не из клеток археспория, а из соматических клеток семяпочек, причем происходит замена мейоза рядом соматических митозов (Сеилова Л. Б., 1994). Адвентивная эмбриония характеризуется дегенерацией полового зародыша на ранних этапах развития, что стимулирует соматические клетки нуцеллюса, которые, разрастаясь, дают начало тканям, проникающим в зародышевый мешок и заменяющим зародыш. При развитии апомиктичных зародышей в культуре in vitro были выявлены отличия, которые выражались в замедлении процессов дифференциации тканей зародыша, в отсутствии формирования эндосперма, перисперма и семени (Тырнов В.С., 2000 б). Развитие зародыша завершалось непосредственным преобразованием его в проросток. Это дат возможность использовать эмбриокультуру для доращивания апомиктичных зародышей, что в дальнейшем может облегчить получение как апомиктичных растений, так и гибридов с их участием. Изучение плоидности у апомиктичных регенерантов в культуре in vitro выявило наличие гаплоидных, диплоидных и единичных миксоплоидных проростков (Сеилова Л.Б., 1996). Подобная разнокачественность обусловлена, по-видимому, факультативным апомикрисом, связанным с образованием не только гаплоидных, но и диплоидных зародышевых мешков путм диплоспории. Показано, что апомиктичные гамма-линии сохраняют ценные селекционные признаки исходных материнских форм и характеризуются высокой продуктивностью.

(Фоменко Н. Р., 2003) Однако гены, отвечающие за апомиктичное размножение, до сих пор не идентифицированы, не установлено даже их число. Были произведены попытки, перенести признак из модельного растения арабидопсис, в сорта риса методами биотехнологии, но трансформированные образцы быстро теряли способность к апомиктичному размножению (Bennett J.et al., 2002).

Недостаточная изученность проблемы апомиксиса, включающая морфогенетические, цитоэмбриологические, физиолого-биохимические свойства растений, препятствует развитию перспективных методов получения и использования апомиктичных форм в селекции.

Получение синтетических семян гибридов позволило бы сократить подразумевается использование соматических эмбрионов, в качестве эндосперма которых служит смесь регуляторов роста, элементов питания и антибиотиков. Для эффективного хранения синтетических семян необходимо объединить характеристики, связанные с состоянием покоя и устойчивостью к высушиванию. Технология саморазрушения оболочки включает замачивание семян в KNO3 увеличивающего скорость прорастания и превращение.

Проведены испытания полученных синтетических семян гибридов.

Максимальный процент получения проростков в опыте – 50 % (Krishnasamy V., 2002). Дальнейшие исследования направлены на массовое производство соматических эмбрионов, автоматизацию их получения и разработку методов хранения и высадки в поле.

1.8. Методы облегчающие поиск гетерозисных гибридных комбинаций Явление гетерозиса используется в практической селекции растений, вместе с тем мы до сих пор не имеем универсальной теории этого феномена (Гончаров С.В., 1992; Драгавцев В.А., 1990). Поэтому при получении гетерозисных гибридов, используемых в сельскохозяйственном производстве, испытывают огромное число линий на комбинационную способность, что очень трудоемко и снижает эффективность селекционного процесса (Волгин актуальной. Одним из перспективных подходов к направленному получению и закреплению гетерозиса, повышению комбинационной способности линий компенсационных комплексов генов (ККГ), возникающих в ответ на отбор по жизнеспособности и продуктивности (плодовитости) на фоне полулеталей, разработанный В.А. Струнниковым и коллегами (Струнников В.А., 1974;

Струнников В.А., 1983; Струнников В.А., Струнникова Л.В., 2000).

На диплоидном уровне возможность целенаправленного формирования генетических компенсаций и их роль в проявлении гетерозисных эффектов продемонстрированы на самых различных объектах на шелкопряде (Струнников В.А., 1974; 1976; Струнников В.А. и др., 1983), на дрозофиле (Кайданов Л.З., 1979;1984; 1994; Маресин В.М. и др., 1985), на горохе (Соколов В.А., 1990; Гостимский С.А. и др., 1992; 1987), на ячмене (Наволоцкий В.Д., 1989).

Отмечены положительные корреляции между уровнем депрессии и эффективностью отбора, а также между значениями продуктивности у селектируемых мутантных линий и их гибридами. По крайней мере, отчасти это может быть объяснено наличием в мутантных линиях генетического груза, ликвидируемого в ходе отбора (Тараканова Т.К., 2004.) Повышенная гомозиготность линий в рассмотренных экспериментах склоняет в пользу гипотезы о незначительном вкладе в гетерозис эффектов сверхдоминирования (Струнников В.А., Струнникова, 2000; Струнников В А. и др., 1987;

Струнников В.А., 1974;1976; Соколов В.А., 1990 а; 1990 б; 1992). Нельзя не отметить и то, что большинство видов растений, для которых подтверждена эффективность использования метода В.А. Струнникова — горох, ячмень и пшеница - являются самоопылителями.

Наиболее эффективен отбор при поддержании линий в моносомном состоянии в связи с: 1) преобладанием естественного типа отбора, особенно существенного на стадии мужского гаметогенеза; 2) механизмом депрессии, основанном на уменьшении дозы генов и кумулятивном действии генетического груза, имеющегося в хромосоме, подвергаемой моносомному состоянию; 3) простотой и быстротой закрепления гетерозисных эффектов (выделение дисомных растений), исключающей возможность частичного разрушения ККГ в ходе его переноса в генотип исходного сорта методом насыщающих скрещиваний (Гончаров С.В., 1992; Тараканова Т.К., 2004).

Поскольку генетический груз в моносомном состоянии в значительной мере элиминируется, то основное значение в формировании компенсаций принадлежит, вероятно, именно уменьшению дозы генов и дефициту соответствующих генных продуктов. В этой связи логичным представляется то, что гетерозис был обнаружен главным образом по лабильным количественным признакам, связанным в своей реализации с интенсивностью метаболических процессов (накоплением биомассы). Это может быть обусловлено отбором регуляторных генов, увеличивающих экспрессию "дефицитных" структурных генов. Возможны и другие молекулярногенетические механизмы, компенсирующие недостаток соответствующих генов и их продуктов например, участие мобильных генетических элементов (Кайданов Л.З. и др, 1979; 1984; 1994). Наиболее перспективными для формирования ККГ генетическими депрессорами являются, по-видимому, мутации, приводящие к острому дефициту нормальных генных продуктов, т.е. гипоморфные, супрессоры важных в метаболизме структурных генов, и, конечно, моносомия (Соколов В.А., 1990).

В.А. Струнников ( 2000) с соавторами обращает внимание на роль элиминации вредных генов при получении гетерозиса у шелкопряда.

Возможно, что очистка от полулеталей и перевод в гомозиготу полезных генов в значительной мере формируют ККГ, дающий гетерозисный эффект. И могут оказаться преимущественно рецессивными. Нельзя не отметить и то, что большинство видов растений, для которых подтверждена эффективность использования метода В.А. Струнникова - горох, ячмень и пшеница являются самоопылителями.

Эффективность отбора на фоне депрессивного фактора в целом пропорциональна уровню его угнетающего влияния. Это проявляется как при сравнении линий, депрессированных одной и той же мутацией, так и при сравнении различных стрессовых факторов. Зависимость результативности экспоненциальный вид. Вероятно, у пшеницы в качестве перспективных для формирования ККГ можно рекомендовать мутации с уровнем депрессии по зерновой продуктивности главного колоса не ниже 50-70 %.

Использование гетерозисного эффекта в производстве позволило бы в короткие сроки поднять урожайность многих культур (Конареев В.Г., 1971).

Однако непонимание природы гетерозисного эффекта делает неэффективными как поиск гетерозисных комбинаций, так и попытки его закрепления в последующих поколениях.

Гетерозис был открыт 230 лет назад, но до сих пор его природа является предметом дискуссий. Так на международной конференции «Гетерозис у растений», которая проходила с 7 по 9 сентября 2009 в г.

Штутгарте, Германия, каждый второй доклад начинался с этой фразы. До сих пор существует несколько теорий, объясняющих генетический базис гетерозиса:

1. Погашение действия вредных рецессивных генов, благоприятное сочетание неаллельных, полностью доминантных генов.

2. Благоприятное действие вообще всех типов аллелей в гетерозиготном 3. Соответствие ядерного и цитоплазматического геномов.

сверхдоминирования, генетического баланса) дополняют друг друга и не могут быть противопоставлены физиолого-биохимическим, поскольку последние находятся под контролем генетического аппарата. В основе рассмотренных гипотез лежит принцип комплементации генных комплексов и ферментных систем, что повышает активность узкого звена в системе и ускоряет физиологические процессы (Турбин Н.В., Конарев В.Г., Хотылева Л.В., 1982; Кирпичников B.C., 1974; Семенов О.Г. и др., 1997).

Анализируя опыт с хлопчатником и проростками кукурузы, А.А.

Жученко отмечает роль цитоплазмы материнского растения в детерминации устойчивости гибридов F1 к заморозкам и пониженным температурам, Дифференцированные реакции по зимостойкости проростков пшеницы и пырея, а также их гибридов обусловлены особенностями митохондрий. Кроме того, отмечена корреляция между митохондриальным гетерозисом и митохондриальная активность ограничивает рост урожайности у инбредных линий и в то же время является биохимической основой гетерозиса (Жученко А.А.,1988 а, 1988 б). Эти и многие другие факты дают основание считать, что если истоки гетерозиса закладываются в генетических системах генома и регуляторными механизмами всех уровней генетических и морфологических процессов растения (Костышин С.С., 1984; Струнников В.А. и др., 1983). К ним относятся геномно – плазмонные и другие взаимодействия (Палилова А.Н., 1982; Палилова А.Н., Силкова Т.А., 1998) Одним из возможных механизмов гетерозиса растений является гетерогенность генома органелл и высокая митохондриальная активность. Роль межгеномных взаимодействий, обусловливающих клеточный метаболизм, рост и развитие растений, находит подтверждение в некоторых аспектах биосинтеза основных энзимов органелл, регулируемого как ядерным, так и митохондриальным геномами (Христолюбова Н.Б., 1974; Жученко А.А., 2001). Ядерно-цитоплазматические взаимодействия носят специфический характер и зависят от типа скрещивания, т.е. от генетических особенностей цитоплазмы и сортаопылители. Обобщенные результаты изучения конкурсного гетерозиса восьми гибридных комбинаций на двух типах цитоплазмы с участием четырех сортов-опылителей различного происхождения показали, что цитоплазма Ae. ovata оказала большее влияние на высоту растений, тогда как цитоплазма S. cereale больше влияла на такие показатели, как масса зерна с растения и масса 1000 зерен (Семенов О.Г. и др., 2003).

Экспериментальные данные, получаемые для подтверждения той или иной теории, носят противоречивый характер. Так, Ксиао (Xiao J.H et al., 1995) в 1995 году изучая взаимодействие количественных локусов в скрещивании между подвидами риса, пришел к выводу, что доминантные эффекты играют решающую роль в проявлении гетерозиса. Юу в 1997 году анализируя генетические компоненты в гибридной популяции второго и третьего поколений высоко гетерозисного гибрида, обнаружил большое число дигенных взаимодействий между локусами и предположил, что эпистаз играет важную роль в проявлении гетерозисного эффекта (Yu S.B et al., 1997). Однако, в приведенных выше исследованиях, о величине гетерозиса судили по значению признаков, характеризующих продуктивность образца.

В последние годы было проведено огромное число экспериментов для уточнения полученных данных с применением молекулярных маркеров. В одном из них для исследования использовали высокогетерозисный гибрид между сортами Тайчунг и Лемонт, а также беккроссные популяции, инбредными линиями (РИЛ) этого гибрида и 2 тестерами (Zhao M.F. et al., 1999). Данные по полиморфизму длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ) 179 маркеров были получены при исследовании родительских (сантиморганид) и покрывающая все 12 хромосом. Было идентифицировано девятнадцать эпистатических локусов. На основании полученных данных сделаны следующие выводы:

1. Большинство QTL, связанных с гетерозисным эффектом взаимодействуют.

сверхдоминирование.

3. В подавляющем большинстве межгенных взаимодействий был отмечен доминантный эпистаз.

4. Сверх доминирование и эпистаз - генетический базис гетерозиса.

годах на гибриде Shanyou 63 и его родительских формах Zhen shan 97, Minghui 63, а также 240 линиях РИЛ полученных от этого скрещивания было установлено (Hua J.P. et al., 2002):

1. Гетерозиготность не обеспечивает проявление гетерозиса, но может определить преимущество над гомозиготными формами по отдельным признакам.

2. Все виды генетических эффектов вносят вклад в проявление гетерозиса (частичное, полное или сверхдоминирование) как на внутрилокусном уровне, так и при взаимодействии различных локусов.

3. В проявлении гетерозиса важную роль играют аддитивные эффекты генов.

маркирования, достаточно противоречивы. До сих пор делаются попытки гомозиготными особями, однако однозначного ответа не получено (Vera 2009). Во многих работах рассматриваются взаимодействия Kiihr et al., между QTL определяющими гетерозис. Из изученных 13 999 генов гетерозисных гибридов кукурузы сверхэкспрессия была характерна для 15,3%. Только 8,7% генов показывали экспрессию более, чем в два раза превышающую таковую у родительских форм. Анализ функций генов с повышенной экспрессией показал, что в основном это гены, вовлеченные в регуляцию транскрипции, инициацию репликации, синтез белка и РНК, С:N метаболизм, гормональную регуляцию, митохондриальную активность, устойчивость к стрессам, скорость деления клеток (Meitzel T. et al., 2009). В работах ученных из Китая и Израиля приведены данные о моногенном гетерозисе, обусловленном переносом генов повышающих продуктивность культивируемых сортов от диких родственников (Dani Zamir et al., 2009). Увеличение продуктивности также может быть достигнуто при получении двойного гибрида, который имеет 4 различных аллеля гена в каждом локусе. Этот феномен назван прогрессивным гетерозисом. В какойто мере получение фертильных аллополиплоидов можно считать закреплением гетерозисного эффекта, но в этом случае очень трудно разделить эффекты гетерозиса и полиплоидии (Abel S., Becker H., 2009).

Анализ работ по природе гетерозиса показывает, что она у растений одна. По всем культурам есть сообщения, как о межаллельных, так и о межгенных взаимодействиях определяющих гетерозисный эффект.

Понятно, что в большинстве случаев работают скоординированные комплексы генов, моногенный гетерозис также возможен, хотя и в этом случае ген может быть регуляторным (например, мощным энхансером) определяющим эффективную работу целого комплекса генов. Споры о природе гетерозиса продолжаются несмотря на то, что В.А. Струнниковым в 1999 году предложена теория которая не только позволяет объяснить природу гетерозиса, но и ответить на основные вопросы гетерозисной селекции: как создаются комплексы генов обеспечивающие проявление гетерозисного эффекта, и как можно «закрепить» гетерозисный эффект в последующих поколениях (Струнников В.А., Струнникова Л.В., 2000). По Струнникову гетерозисный эффект проявляется вследствие наследования от родителей скоординированного компенсационного комплекса благоприятных генов, возникающего в результате отбора на фоне действия вредных генетических и экологических факторов. Эта гипотеза позволяет объединить все предложенные ранее теории. Нет принципиальной разницы между гетерозисным гибридом и высокопродуктивным сортом. И в том, и в другом случаях работают те же генетические механизмы, использование гетерозисного эффекта лишь позволяет более эффективно находить сформированные природой генные комплексы.

Согласно теории природы гетерозиса В.А. Струнникова он возникает в результате двух главных причин:

Первая - интеграция в генотипе гибрида большого количества скоординированных в своем действии благоприятных генов, контролирующих жизнеспособность.

Вторая – переход в гетерозиготное состояние не всех генов генотипа, а только рецессивных леталей, полулеталей и Следовательно, для «закрепления гетерозисного эффекта» или другими словами сохранения комплекса генов его определяющих в последующих поколениях необходимо очистить генотип исходного гибрида от леталей и полулеталей и в тоже время сохранить аллели повышающие жизнеспособность и продуктивность. Для этого он же предложил использовать создание гомозиготных особей на основе генотипа гетерозисного гибрида (Струнников В.А., Струнникова Л.В., 2000).

Для получения гомозиготных особей (дигаплоидных линий) у растений используют культуру пыльников. Получение дигаплоидных линий через культуру пыльников связано с очень значительными трудностями, так как требуется специфическая предварительная обработка материала, подбор соответствующих сред, и т д. Но даже при соблюдении всех оптимальных условий выход дигаплоидных линий в большинстве случаев не превышает 0,5 % от посаженных на среду пыльников. Различия по количеству получаемых растений в культуре пыльников обусловлены генетически. И хотя у многих культур локализованы гены, повышающие отзывчивость генотипов на культуру пыльников, столь низкую выживаемость растений нельзя объяснить наличием небольшого количества генов ее определяющих.

На жизнеспособность генотипа в культуре пыльников влияет весь комплекс генов. Генотипы с комплексом генов, повышающих общую жизнеспособность организма и устойчивость к стрессам (каким и является культура пыльников), имеют значительные преимущества при культивировании. Пыльца растений содержит гаплоидный набор хромосом, но при культивировании пыльников иногда происходит спонтанное удвоение числа хромосом и появление гомозиготных организмов (дигаплоидных линий).

Гетерозис возникает при гибридизации особей, в генотипах которых сформировались комплексы генов, повышающих жизнеспособность. Такие комплексы генов формируются у родительских форм в противовес наличию леталей и полулеталей в генотипе. Следовательно, гетерозисный гибрид должен нести гены снижающие жизнеспособность. Удалить эти гены из генотипа гибрида можно за счет рекомбинации. Сам процесс мы контролировать не можем, но в условиях стресса (в нашем случае культуры пыльников) выживает только та часть потомства гибрида, которая унаследовала от него большую часть благоприятных генов. Так как гомозиготные организмы, в генотипе которых содержится много леталей, полулеталей и субвиталей в подавляющем большинстве погибают на ранних стадиях развития. Выживают только те особи, которым в результате мейоза не досталось, или досталось очень мало «вредных» генов. В случае выживания таких особей их легко удалить из популяции за счет низкой жизнеспособности или продуктивности.

1.10. Использование гетерозиса межподвидовых гибридов в Повысить урожайность риса на данном этапе методами традиционной селекции не представляется возможным, так как во всем мире отмечено снижение эффективности селекционной работы. Потенциал продуктивности новых сортов, несмотря на увеличение устойчивости к стрессам и повышение качества, остается на уровне сортов созданных еще в 1960-е годы (Щиловский В.Н., 2001; Ковалев В.С., 2011; Зеленский Г.Л., Зеленский А.Г., 2011). Только использование гетерозисного эффекта дает возможность радикально, более чем на 50 %, поднять продуктивность. На территории Российской Федерации в основном используются сорта риса подвида japonica.

близкородственное происхождение (Апрод А.И., Колесников Ф.А., 1971).

Низкая генетическая гетерогенность сортов подвида japonica приводит к незначительному гетерозису при их гибридизации (Дзюба В.А., Сингильдин Г.А. 1981; Goncharova, Goncharov, 2001, 2002). Во многих работах показано снижение гетерозисного эффекта в ряду гибридов: japonica/indica, indica/indica, japonica/japonica (Yuan, 1987). У межподвидовых гибридов (japonica/ indica) гетерозисный эффект может достигать 100% и выше. Так, по сухой массе побегов гетерозис достигает 100 % у гибридов japonica/indica, не превышает 70 % и 50 % у гибридов indica/indica, japonica/japonica, соответственно (Wang et al., 1992). Количество колосков на растение у межподвидовых гибридов может достигать 3200, а у внутривидовых - только 2200 (indica/indica) и 1800 (japonica/japonica). Однако, на пути внедрения межподвидовых гибридов риса в производство стоит серьезная проблема:

низкая озерненность. Количество выполненных колосков межподвидовых гибридов не превышает 40%, у внутривидовых - она значительно выше - до 90 % indica /indica и до 92 % japonica/japonica (Zhang G., Lu X., 1996; Zhang et al., 1996; Костылев П.И., 1999).

1.11. Повышение продуктивности межподвидовых гибридов риса Вследствии высокой пустозерности межподвидовые гибриды риса до сих пор промышленно не производятся. Также не получили значительного распространения гибриды подвида japonica (посевные площади гибридов подвида не превышают 5 %) из-за незначительного гетерозисного эффекта и распространения их в областях с неблагоприятными погодными условиями в период цветения, что затрудняет их семеноводство (Гончаров, Гончарова, 1991; Zhang G. Q., Lu Y. G., 1996). В тоже время, посевные площади под гибридами индийского подвида в Китае в 4 раза больше, по сравнению с таковыми, занимаемыми сортами того же подвида (Zhao et al., 1999; Yuan L.P., 1987).

Использовать сверхвысокий гетерозис межподвидовых гибридов все же можно, если применить гены широкой совместимости (WC), которые обеспечивают их озерненность более 70 % даже при межподвидовой гибридизации. Подвид japonica несет аллель S5J, indica - S5i, образцы с геном широкой совместимости - аллель S5n. (Ikehashi, Araki, 1986). Гетерозиготные формы S5J/S5i - стерильны, образцы, несущие гены широкой совместимости - фертильны (S5J /S5n; S5i / S5n) (Ikehashi, Araki, 1984). Внедрение генов широкой совместимости в формы с высокой комбинационной способностью, позволит получить фертильные межподвидовые гибриды, с величиной гетерозиса до 100 % (Ikehashi, Wan, 1996; Chen et al., 2008; Xu Z. J. et all, 1996). Кроме того, межподвидовая гибридизация позволит расширить норму реакции создаваемого образца за счет использования генетического потенциала обоих подвидов и, следовательно, обеспечит большую стабильность получаемых урожаев риса, что важно в свете влияния изменяющихся климатических условий. Создание сортов на основе генотипа таких гибридов позволит получить новое поколение гибридов риса с более высокой урожайностью и устойчивостью к стрессам (лучшей устойчивостью к пирикуляриозу, высоким и низким температурам, засухе, засолению, затоплению и др.), с большей эффективностью использования минерального питания. Также попутно решается проблема повышения содержания амилозы (содержание ее выше 25 % обеспечивает получение рассыпчатых блюд). У сортов отечественной селекции ее содержание 16 - 20 %. У сортов подвида indica, которые планируется вовлечь в гибридизацию ее содержание 22-27% (Ляховкин, 1980, 1987; Гончарова и др., 2011). Гены, определяющие широкую совместимость, картированы определен список SSR маркеров, позволяющих осуществлять интрогрессию данных генов в перспективные сорта (Taneichi T. et all, 2005; Qiu S. Q. et all, 2005; Zhao Z. G. et all, 2007; Li D. et all, 2007).

Однако первый опыт создания образцов с широкой совместимостью показал наличие многих локусов ее определяющих, большинство линий, выделенных как доноры признака, несут несколько генов, снижающих стерильность гибридов. Уже локализовано более 30 (S1-S34) генов, определяющих широкую совместимость и гибридную стерильность.

Исследования показали, что данные локусы не восстанавливают фертильность при межвидовой гибридизации O. glaberrima/O. sativa (Гончарова, Гончаров, 2001; Heuer, Mizan, 2003).

Пыльцевая и колосковая фертильность контролируются разными генами.

Локус S5n является определяющим в формировании признака и отвечает за фертильность женских гамет (Wang G. et al., 2005; 2006). Однако наличие только одного гена S5n ведет к частичной стерильности гибрида.

характеризуются локусы S-7, S-8 и S-9, идентифицированные Икехаши и Ван в 1996 г. (Ikehashi, Wan, 1996), в 1997-2000 гг. были локализованы другие гены, влияющие на озерненность межподвидовых гибридов риса также в 1, 2, 3, 8, 11 и 12 хромосомах (Zhang X. et al., 1998; Qiu et al., 2005; Taneichi et al., 2006). Была отмечена связь локуса S5n с таким морфологическим маркером, как фиолетовый апикулюс, что позволяет в какой-то мере контролировать включение гена в генотип последующих поколений при беккроссировании.

Расстояние между данными локусами 14,6 сМ, физическое расстояние между генами - 500 т.п.о. (тысяч пар оснований) (Zhang, 1998).

Ген S5n был картирован на шестой хромосоме между маркерами RM и RM 2249, расстояние между ними 2,2 сМ. В аналогичном исследовании он был локализован с интервалом в 1,6 сМ от маркера WFPM3 и 0,8 сМ от WFPR1 физическое расстояние между маркерами 70 т.п.о. (Qing et al., 2005).

Позднее расстояние между маркерами было сокращено до 50 т.п.о., где ген S5n был локализован между маркерами J13 и J17 (ближайшие SSR-маркеры RM 27 - RM 5754), и, наконец, до 40 т.п.о. с использованием популяции изогенных линий 549 растений и 8000 растений гибридов первого поколения между этими линиями. Генетический анализ этого фрагмента показал наличие 5 открытых рамок считывания (Qiu et al., 2005). Этот регион можно назвать горячей точкой рекомбинации так как их частота, между маркерами достаточно высокая, что говорит о том, что он вносит вклад в быструю эволюцию и создание репродуктивного барьера у представителей вида Оryza sativa.

Первоначально символом S обозначали только гены, определяющие гибридную стерильность, обусловленную обортацией женских гамет при межподвидовой гибридизации, но в более поздних работах данным символом стали обозначать и гены, обусловливающие мужскую стерильность, которую определяли по изменению соотношения гамет в потомстве (Lui et al., 1992;

2004; Wang et al., 1998).

Локус S5 в генетическом плане наиболее изучен, но в последнее время появилось много работ, посвященных локализации минорных генов широкой совместимости. Так, в том же регионе, что и S5, между маркерами RM 253 и RM 276 локализован ген, вызывающий абортацию пыльцы f6. Ген S локализованный на 5 хромосоме и ограниченный маркерами RM 5579 и RM 13 (ближайший маркер RM 2488) на участке 54 т.п.о., вызывает частичную абортацию женских гамет на стадии митоза мегаcпоры. На пятой же хромосоме локализован другой ген, вызывающий абортацию мужских гамет f5 между маркерами RM 413 и RM 122 (Zhao Z. et al., 2007). Другой ген, определяющий широкую совместимость, S 9 локализован на хромосоме между маркерами RM 5586 (RM 1359, RM 1155) и RM 5749 (Danting et al., 2007). Ген S 32 t локализован на хромосоме 2 и ограничен маркерами RM 12475 (ближайшие маркеры RM 12476, RM 279, RM 7581) и RM 236 (RM 211) на участке 64 т.п.о. 1,9 cM между маркерами, вызывает частичную абортацию женских гамет на стадии митоза мегаспоры. (Li R. et al., 2009).

Ген S-20n(t) локализованный на хромосоме 1 и ограниченный маркерами RM 581 (RM 8083) и RM292 (RM 8046) на расстоянии 0.2 cM и 1.5 cM соответственно, вызывает частичную абортацию женских гамет на стадии митоза мегаспоры (Wen J. et al., 1995). Ген S-33 локализован на хромосоме и ограничен маркерами RM 15621 (RM 5626, RM 3513, RM 5488, RM 8208) и RM 15627 (RM 3350, RM 7097, RM 8277, RM 1350) расстояние между ближайшими маркерами 86 т.п.о., анализ показал наличие в этом регионе открытых рамок считывания, ген вызывает пыльцевую стерильность гибридов. Ген S 34 локализованный на хромосоме 11 и ограничен маркерами RM 552 (RM 5704, RM 6894, RM 536) и RM 167 (RM 5599), вызывает абортацию мужских гамет (Sundaram et al., 2010).

Выявленные гены, в том числе, локусы количественных признаков (QTLs), определяющие гибридную стерильность, можно разделить на серии.

Первая - вызывает абортацию женских гамет (S5, S7, S8, S9, S10, S15, S16, S17, S18, S29, S30, S31 и S32), вторая – мужских, и в третью входят локусы, соединяющие в себе две эти функции (Wan J., Ikehashi H., 1995;

Sawamura N., Sano Y., 1996; Wan J. et all, 2011). На рисунке 3 показаны локализованные гены, в том числе, QTLs, контролирующие пыльцевую фертильность у межподвидовых гибридов indica/japonica (Zhuang C. et al., 1999; Su J., Liu Y., 2003; Ouyang et al., 2009).

Рисунок 3 - Локусы, определяющие гибридную стерильность и широкую совместимость гибридов indica-japonica www.scichina.com | csb.scichina.com www.springerlink.com. Темно-серым обозначены локусы, определяющие пыльцевую фертильность, светло-серым - стерильность женских гамет и стерильность гамет обоего пола. (Ouyang et al., 2009).

совместимости, наиболее часто встречающихся и определяющих значительное фенотипическое проявление признака, а также маркеры, вышеперечисленных генов WC.

Таблица 14 - Локализация 8 генов WC и фланкирующие регион маркеры (Ouyang et al., 2009).

в скобках расстояние до изучаемого локуса * выделены наиболее близко расположенные маркеры При другой форме репродуктивного барьера, при гибридизации O.

sativa и O. rufipogon, аллель гена S6a вызывает элиминацию как женских, так и мужских гамет в следующем поколении (Sano, 1992; Koide Y. et al., 2008).

Показана возможность замены хромосомного сегмента на локусы, определяющие фертильность образца при помощи маркерной селекции с использованием нескольких SSR-маркеров (RM 276, RM 455, RM 141, RM 185) для контроля включения в генотип образцов 4-х генов широкой совместимости (S5, S8, S7, S9 соответственно) (Heuer S., Mizan K., 2003;

Chen L. et al., 2011).

Гены WC найдены в нескольких сортах: Дулар, Азусена, Тайпей 309, Мороберикан, Nagina 22 (таблицы 15-16).

Таблица 15 - Сорта-доноры генов широкой совместимости (Malik et al, 2003).

Доноры генов Пыльцевая фертильность Колосковая фертильность F совместимости IR36(indica) T65(japonica) IR 36 ( indica) T65(japonica) Выявленные доноры генов широкой совместимости это в большинстве случаев образцы (например Дулар, Нагина 22) из тропического региона несущие ряд признаков характерных для диких видов (осыпаемость, низкая продуктивность, склонность к полеганию, высокорослость и т.д.) Таблица 16 - Аллели, определяющие гибридную стерильность у сортов риса (Wan J., Ikehasshi H., 1995) Таблица 17 - Характеристика сортов доноров генов широкой совместимости.

1 – максимальное, 9 – минимальное соответствие Сорта с генами широкой совместимости (WCVs) позволяют получить фертильные гибриды между различными подвидами риса. Они обеспечивают нормальную как пыльцевую, так и колосковую фертильность гибридов.

Однако они несут различные гены, определяющие озерненность гибрида, это некоторых гибридов сортов несущих гены широкой совместимости (Malik et al, 2003).

Одни гены влияют на стерильность женских гамет, другие - мужских, третьи - приводят к невозможности объединения мужских и женских гамет.

Примерами механизмов, приводящих к стерильности, могут стать не растрескивание пыльников, несинхронное созревание гамет, несоответствующий рост пыльцевых трубок (Liu H. et al., 2004; Song et al., 2005; Chen R. et al., 2007; Imamura T. et al., 2007).

Сорт Дулар признан как один из наиболее перспективных доноров генов широкой совместимости, так как несет несколько генов, ее определяющих:

S5, S7, S8 S9, S16, S17t, S31, S32 t, ga 11, ga14 (Wan, 1996; Lu, 2000).

Меньшее количество локусов WC несут Ketan Nangka (S5, S15, S17(t)) и N (S5, S7, S8, S15, S16). В печати есть сообщения о наличии генов широкой совместимости в современных сортах, в том числе и образцах отечественной селекции (Zhao Z. et al, 2006; Jing W. et al, 2007).

1.13. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica.

эволюционной биологии поддерживая генетическую дивергенцию и сокращая обмен генами между различными популяциями. По видимому наличие таких барьеров сыграло основную роль в разделении подвидов риса japonica и indica (Ляховкин А.Г. 1987, 1980; Ting M., 2010). Сорта подвида распространены в тропических и субтропических регионах (Cheng K. S., 1993). Между подвидами существует ряд переходных форм как по признакам, детерминирующим фенотип, так и по физиологическим характеристикам, определяющим особенности развития и адаптации к стрессам (Oka H. I., 1988).

Существуют две гипотезы происхождения подвидов. Согласно первой японский подвид произошел из образцов индийского подвида при адаптации их к более северным регионам (Ting Y., 1957). Другая теория говорит о возможности параллельной доместификации подвидов, происходящих от различных диких родственников (Chang T. T., 1976).

Генетические различия между подвидами приводят к значительному гетерозису при их гибридизации, позволяют надеяться на возможность увеличения потенциала продуктивности культуры за счет межподвидовой гибридизации (Wang C.L. et all, 1992; Zhang Q et al., 1997). Исследования показали, что к дифференциации подвидов привела комбинация генетических событий включающая, как вставки и делеции, так и замены нуклеотидов. Наибольшее число таких различий между подвидами зафиксировано на 11 и 12 хромосомах (Yang G. P. et al., 1994; Garris A. J. et al., 2005 ; Mackill D. J.,1995).

Наряду с проведением интрогрессии генов широкой совместимости (WC) в перспективные сорта, мы провели их поиск среди коллекционных образцов риса. Однако уже на этапе анализа стерильности гибридов, на первый план вышла задача корректного отнесения образцов к подвидам, так как существующая в России ботаническая классификация риса на подвиды не позволила их корректно разделить (Трубилин И.Т. и др., 2000).

Для более точной дискриминации образцов предложено использовать несколько признаков: фенольную реакцию, длину опушения цветковых чешуй (или длину волосков апикулюса), чувствительность к низким температурам, хлорату калия, окраску листьев (таблица 18). При использовании вышеперечисленной комбинации признаков неправильная классификация образцов не превышает 0,5% (Cheng S. H. et al., 2001; Zhu Z F et al., 2002; Wang Y. et al., 2010 ).

Перечисленные в таблице 18 признаки расположены в порядке их применимости для дискриминации образцов, так устойчивость к хлорату калия позволяет более точно дифференцировать образцы на подвиды. Для сортов индийского подвида в большинстве случаев характерен позитивный ответ на фенольную реакцию (Morishima H., Oka H. I., 1981; Ouyang Y. D., et al., 2009).

Таблица 18 - Дифференцирующие подвиды риса indica и japonica признаки (Wang Y. et al., 2010 ).

Устойчивость к хлорату калия низкая–3.34 ± 0.60 высокая –1.49 ±0. (log повреждающей концентрации) Устойчивость к засухе Длина волосков апикулюса (мм.) короткие 0.26 ± 0.06 длинные 0.44 ± 0. Устойчивость к холоду чувствительный 0.58 ± 0.18 устойчивый 0.18 ± 0. Еще один вариант разделения образцов на подвиды предложен китайскими учеными. Они предлагают, кроме уже перечисленных, дополнить перечень признаков позволяющих достоверно разделить образцы риса на подвиды, признаком отношение числа больших сосудистых пучков к количеству малых в ножке метелки. Для образцов подвида indica этот индекс приблизительно равен единице, у japonica 0,5 (Xu Z. J. et al., 1996).