Бугайов В.Д., Васильківський С.П. та ін.; за ред. М.Я. Молоцького. Спеціальна селекція польових культур

Подождите немного. Документ загружается.

290

більшою тоді, коли в гібридизацію вступають виключно гомозиготні

лінії, а гібрид F

, гетерозиготний за всіма локусами, проявить макси-

мальний ефект HF

, пов’язаний із алельною взаємодією. Переваги

міжлінійної селекції у цукрових буряків були помічені ще у 1970 р.

А.Л. Мазлумовим, який розумів, що сприятливі поєднання генів мо-

жна краще відтворити у кожному новому схрещуванні на рівні ліній,

а не гетерозиготних за своєю суттю сортів. Це підтверджено й інши-

ми авторами – і вітчизняними, і зарубіжними.

На сьогодні селекція цукрових буряків на гетерозис з викорис-

танням цитоплазматичної чоловічої стерильності є основним інстру-

ментом під час створення високопродуктивних гібридів.

Загальна схема створення гібридів на ЧС основі. Для створення

гібридів цукрових буряків передбачається наявність двох компонен-

тів – материнського і батьківського. Материнський компонент має

бути пилкостерильним, однонасінним. Для його розмноження і по-

стійного відновлення потрібно мати закріплювач стерильності, який

також повинен бути однонасінним. Батьківським компонентом мо-

жуть слугувати багатонасінні лінії, звужені популяції, продукти ба-

гаторазових індивідуально-родинних доборів, а також синтетики,

одержані в результаті рекурентних (періодичних) доборів.

Етапами технології селекційної процесу створення гібридів цук-

рових буряків на основі ЦЧС є:

- підбір стерильних за пилком рослин;

- аналізуючі схрещування для виділення однонасінних закріплю-

вачів стерильності (О типи);

- насичувальні схрещування (бекроси) для створення однонасін-

них ЧС –аналогів ліній О типу;

- створення багатонасінного запилювача до ЧС форм диплоїдно-

го чи тетраплоїдного рівнів;

- розмноження у чистоті перспективних ліній з одночасним ви-

вченням за комплексом господарсько цінних ознак;

- підбір тестерів та оцінювання за загальною і специфічною ком-

бінаційною здатністю з урахуванням асоційованих ознак;

- формування гібридів на основі підбору батьківських пар та від-

новлення компонентів.

Селекція компонентів, як і насінництво, ведеться окремо, форму-

вання гібридів здійснюється на останньому етапі. Гібридне насіння

від схрещування однонасінної материнської і багатонасінної батьків-

ської форм є фенотипічно роздільноплідним, що забезпечує можли-

вість механізованого вирощування цукрових буряків із сівбою на кін-

цеву густоту рослин, а генотипно є гетерозитою, проте у виробництві

використовується лише перше гібридне покоління на основі цито-

плазматичної чоловічої стерильності.

Загальна схема створення гібридів цукрових буряків подана на

рисунку 23.

291

Рис. 23. Загальна схема створення гібридів цукрових буряків

на ЧС основі

14.4. Створення материнського компонента гібридів

Фенотипічний прояв стерильності цукрових буряків. Стериль-

ність як ознака цікава для селекціонерів з точки зору одержання 100 %

гібридного насіння, що можна досягти лише за умови повної сте-

рильності однонасінного компонента. Залежно від стану ядерних ге-

нів, що контролюють прояв ЦЧС у потомстві, зустрічаються повніс-

тю стерильні і напівстерильні рослини першого та другого типів

(класифікація Оуена, 1942). Кожному генотипу стерильних рослин

відповідає певний фенотип.

292

До повністю стерильних рослин відносять насінники з білими,

або зеленувато-білими, прозорими пиляками, що не розтріскуються

під час цвітіння. Пиляки містять дрібні, деформовані, без пор, не-

життєздатні пилкові зерна, які незначно забарвлюються барвниками.

Після розкриття квіток пиляки повністю стерильних форм, як прави-

ло, чорніють і опадають. До напівстерильних рослин першого типу

належать насінники з коричневими, або жовто-коричневими пиляка-

ми, які не повністю розкриваються під час масового цвітіння. Пиляки

містять округлі, з добре вираженими порами, пилкові зерна, які є та-

кож нежиттєздатними. Напівстерильні рослини другого типу харак-

теризуються жовтими пиляками, які містять у різних співвідношен-

нях суміш пилку напівстерильних рослин першого типу і звичайного

життєздатного фертильного пилку.

Для формування гібридів необхідно брати повністю стерильні

рослини, напівстерильні рослини першого і другого типів перед цві-

тінням вибраковують. Джерелами цитоплазматичної чоловічої сте-

рильності свого часу слугували як самозапилені лінії і близькоро-

динні селекційні матеріали, так і сорти-популяції. Загалом близько-

родинні схрещування призводять до формування ознаки ЦЧС. Так, в

Інституті цукрових буряків І.А. Баб’яж, аналізуючи третє покоління

16 інцухт-ліній, виявив багато рослин із стерильним пилком (повніс-

тю і частково стерильні першого типу). Стерильність пилку феноти-

пічно і генотипно відповідала цитоплазматичній формі і успадкову-

валася як за вільного перезапилення, так і за схрещування під ізоля-

торами з окремими рослинами однонасінних буряків. Нині у селек-

ційних закладах існує велика колекція стерильних за пилком матері-

алів з різним поєднанням інших господарсько цінних ознак (підви-

щена цукристість, добрі технологічні якості, стійкість до хвороб,

шкідників та несприятливих факторів довкілля).

Генотипна зумовленість ознаки стерильності-фертильності

пилку. Цитоплазматична чоловіча стерильність належить до явищ,

пов’язаних з нехромосомною спадковістю, що включає типи успад-

кування, які не пояснюються з позицій законів Менделя. Найбільш

характерною ознакою нехромосомного успадкування є відмінність

між результатами реципрокних схрещувань, наслідком яких є пере-

дача ознак за материнським типом, а також невідповідність кількіс-

них співвідношень генотипів та фенотипів фактичних і теоретично

очікуваних (неменделівське успадкування).

Цитоплазматична чоловіча стерильність виявлена у більше 100

видів квіткових рослин, що належать 20 родинам, у тому числі вона

є і в сільськогосподарських культур (цукровий буряк, озиме жито,

кукурудза, соняшник і т.п.). Джерелами цитоплазматичної чолові-

чої стерильності є продукти близькородинних схрещувань як все-

редині виду, так і міжвидові та міжродові гібриди. Іншим джерелом

ЦЧС є спонтанні й індуковані мутації, які характерні, зазвичай, для

293

перехреснозапильних культур. Остаточної теорії появи форм з ЦЧС

не сформовано, проте очевидними є як шляхи мутаційних змін у

цитоплазмі, так і переміщення геному певного виду в геном іншого,

яке можливе в процесі еволюційного формоутворення виду. Остан-

ня теорія є більше ймовірною, оскільки родоначальником культур-

ної форми буряків є сілезький буряк, який генеалогічно має гібрид-

не походження.

На сьогодні механізм успадкування ЦЧС у буряків у загальних

рисах відомий і слугує практичній селекції. Генетичну зумовленість

цієї ознаки у сорокових роках минулого століття пояснив Ф.Оуен.

Доведеними вважаються такі положення: для форм з ЦЧС значення

має поєднання як певного стану цитоплазми, так і ядерних генів, сте-

рильність цитоплазми проявляється лише за наявності спеціальних

генів у ядрі, їх кількості і стану (переважно рецесивного), що є спе-

цифічним для кожної культури і, нарешті, наявність генів-

модифікаторів, що впливають на фенотипічне вираження ознаки.

За теорією Ф.Оуена, який вперше пояснив природу цитоплазма-

тичної чоловічої стерильності у буряків (1942), існує два типи цито-

плазми. Ядерний контроль здійснюється також двома генами. Росли-

ни з цитоплазмою N (нормальна) формують двостатеві квітки з нор-

мально розвинутими пиляками і пилковими зернами у них. Рослини

із стерильною цитоплазмою (S-плазма) можуть бути повністю стериль-

ними за пилком, з нежиттєздатними, або частково життєздатними,

пилковими зернами (залежно від стану генів х і z). Комплементарний

ефект цих генів і їх фенотип виявляється таким чином :

- S xxzz – повна чоловіча стерильність (пиляки білого, або зеле-

нувато-білого кольору);

- S Xxzz, S xxZz, S XXzz, S xxZZ – частково стерильні, або на-

півстерильні першого типу (жовті пиляки, що містять дрібні нежит-

тєздатні пилкові зерна);

- S XxZz, S XXZz, S XxZZ, S XXZZ – рослини формують більш-

менш нормальні пилкові зерна, життєздатність яких неповна і вели-

кою мірою залежить від зовнішніх умов.

Ф. Оуеном описані й випадки, за яких успадкування стерильності

не пояснюється запропонованою ним схемою. Він допускав наяв-

ність генів-модифікаторів, а також мутаційну мінливість цитоплазми

у межах однієї рослини, які можуть змінювати характер успадкуван-

ня. Знання про типи цитоплазми у цукрових буряків поглиблюються.

Відомі й інші її типи, застосування яких у майбутньому дозволить

розширити генотипну мінливість селекційних матеріалів.

Різноманітність біотипів цукрових буряків, що формуються на різ-

них співвідношеннях стану цитоплазми і ядерних генів, а також осо-

бливості їх фенотипу за стерильністю-фертильністю пилку, наведено

у табл. 11.

294

Таблиця 11 – Біотипи цукрових буряків за поєднанням ядерних генів і стану

цитоплазми

Фенотип рослин з цитоплазмою №

п/п

Генотип

рослини

S N

1 xxzz Повністю стерильні - ЧС. Фертильні

2 Xxzz

З нежиттєздатним пилком –напівстерильні

першого типу

Те ж

3 XxZz Те ж -“-

4 XXzz -“- -“-

5 XxZZ -“- -“-

6 XxZz

Мають пилок, суміш фертильних і стерильних

пилкових зерен, напівстерильні другого типу

-“-

7 XXZz Мають пилок, фертильні -“-

8 XxZZ Те ж -“-

9 XXZZ -“- -“-

Особливістю цих біотипів є те, що запилення іншими рослинами,

а також самозапилення, можливе для всіх генотипів з плазмою N і

для чотирьох останніх генотипів з плазмою S (6-9). За самозапилення

генотипів рослин S Xxzz, S xxZz, S XXzz, S xxZZ на основі стериль-

ної плазми у першому поколінні можна очікувати вищеплення рос-

лин з нежиттєздатним пилком – повністю або частково стерильні фор-

ми. Повністю стерильні рослини з генотипом S xxzz можуть розмно-

жуватися лише за наявності закріплювачів стерильності з таким же

генотипом за ядерними генами, але з цитоплазмою N.

Звідси випливає, що за мутації цитоплазми N в S фертильність пилку

зникає, натомість з’являється його стерильність. Такі ж перетворення

можливі у генотипів Xxzz, xxZz, XXzz, xxZZ на основі цитоплазми N.

Із всіх можливих поєднань генів, що контролюють стерильність-

фертильність пилку за ядерними генами х і z на основі двох типів

цитоплазми (S і N) за умови вільного вибору рослин для парного

схрещування, можна отримати 81 гібридне потомство. Залежно від

генотипу батьківських пар можливо розрахувати розщеплення гібри-

дів за фенотипом ЧС : ½ ЧС1 : ½ ЧС2 (табл. 12).

Таблиця 12 – Теоретично можливі розщеплення гібридів за співвідношенням

фенотипів ЧС : ½ ЧС1 : ½ ЧС2 та їх частота

Співвідношення фенотипів

ЧС : ½ ЧС1 : ½ ЧС2

Кількість теоретично

можливих варіантів, шт

Частота,

100 : 0 : 0 1 1,2

50 : 50 : 0 4 4,9

25 : 75 : 0 2 2,5

25 : 50 : 25 4 4,.9

13 : 50 : 37 4 4,.9

6 : 37 : 57 1 1,2

0 : 100 : 0 10 12,3

0 : 50 : 50 20 24,.6

0 : 0 : 100 25 30,9

295

Проводячи гібридологічний аналіз ЧС гібридного потомства, ко-

ли за материнський компонент взято пилкостерильну форму з гено-

типом S xxzz, за співвідношенням стерильних і фертильних рослин

під час розщеплення, або за відсутності його, можна встановити ге-

нотип запилювача, при цьому використовується критерій χ- квадрат.

Проте спостерігаються випадки неузгодженості між теоретично очі-

куваним і фактичним розщепленням за фенотипом, що можна пояс-

нити як модифікаційною мінливістю ознаки стерильності-

фертильності андроцея, що завжди присутнє, так і нерепрезентатив-

ною вибіркою експериментальних даних. Крім того, це може свідчи-

ти і про більш складний генетичний контроль цієї ознаки (нерівноз-

начність ефектів алелів x і z, плейотропна дія ядерних генів, наяв-

ність додаткових генів-модифікаторів, можливий полігенний конт-

роль ознаки), що в цілому не заперечує, а уточнює Оуенівську мо-

дель генетичної детермінації ознаки стерильності-фертильності.

Створення закріплювачів стерильності (ЗС). Аналізуючі схре-

щування. Для створення гібридів на основі ЦЧС потрібно мати сте-

рильні за пилком форми. На початкових етапах розвитку селекції на

гетерозис селекціонерами проводився пошук стерильних форм. Дже-

релами ЦЧС, за теорією гомологічних рядів спадкової мінливості

М.І.Вавилова, можуть слугувати будь-які селекційні матеріали і сор-

ти цукрових буряків, однак, зважаючи на те, що стерильні форми

мають бути роздільноплідними, то пошук таких пилкостерильних

форм здійснювався серед диплоїдних однонасінних рослин. Найбіль-

ша їх частота виявилася у матеріалів з підвищеною цукристістю. У

практичній селекції джерелами ЦЧС були, перш за все, інбредні лінії,

продукти багаторазових індивідуально-родинних доборів (станційна

еліта). На сучасному етапі селекції пошук нових стерильних рослин

не здійснюється, оскільки існує велика їх кількість у кожному селек-

ційному закладі, за винятком того, що в експерименті вчені намага-

ються ідентифікувати нові типи стерильних плазм з метою розши-

рення генетичної мінливості (рис. 24). Це означає, що і теоретично, і

на практиці, генотип стерильної рослини цукрового буряку можна замі-

стити впродовж 5-6 бекросних поколінь з закріплювачами стерильності

майже повністю (близько 100 %). Саме тому основна увага зосереджена

на пошуці нових і покращенні існуючих ЗС (т.зв. О типів).

Виділення ЗС проводиться серед кращих однонасінних матеріалів

(сортів, продуктів доборів, ліній, синтетиків), хоча раніше, вважали,

що багатонасінний буряк краще відселекційований за різними цін-

ними ознаками, їх добір проводився на основі інцухтування гібрид-

них зразків від схрещування роздільно- і зрісноплідних форм. Часто-

та ЗС залежить від генотипної структури цих популяцій за алелями x

і z, спричиненої генетичними факторами, що зміщують її (добори,

вихідний ступінь гомо-гетерозиготності і т.п.). Вона може коливати-

ся від сотих чи десятих відсотка до 20-30 % і більше.

296

Рис. 24. Способи розширення генотипної мінливості

297

Спочатку виділення ЗС проводили на популяційному рівні, що

виявилося неефективним через великі обсяги роботи і втрату закріп-

лювальної здатності внаслідок можливої гетерозиготності генотипів.

Проте з позицій сучасного розуміння природи стерильності-

фертильності очевидним є те, що ЗС повинен бути лінійним (гомози-

готним за рецесивними алелями x і z і не давати розщеплення за

ознакою у потомстві). Щоб отримати такі константні лінії ЗС, необ-

хідно проводити їх пошук серед самофертильних однонасінних ма-

теріалів з тим, щоб впродовж послідовних інбредних поколінь отри-

мувати насіння. Генотип такого О типу – NxxzzmmSfSfSfSf.

Ознака самофертильності, яку повинні мати однонасінні ЗС, утруд-

нює процес пошуку таких генотипів, проте полегшує розмноження, ста-

білізацію і підтримання гомозиготних ліній у чистоті. Вивчення успад-

кування самофертильності у потомстві F1, F2, BC1 за співвідношенням

фенотипічних класів, яке проводилося в Інституті цукрових буряків,

показало, що ця ознака визначається чотирма алелями серії S. Якщо у

генотипі заміщено хоча б один алель S на Sf, то тоді самонесумісність

пригнічується, що і забезпечує високу зав’язуваність насіння за приму-

сового самозапилення. Послідовне збільшення кількості алелів від од-

ного до чотирьох не приводить до підвищення зав’язуваності насіння,

однак знижує (частково або повністю) вищеплення у потомстві само-

стерильних біотипів. Тому найбільш цінними є самофертильні однона-

сінні закріплювачі стерильності.

Рослини ЗС за фенотипом не відрізняються від звичайних двоста-

тевих рослин. Тому встановити генотип запилювача (кандидата в ЗС)

можна лише аналізуючими схрещуваннями з використанням гібри-

дологічного аналізу одержаного ЧС гібридного потомства. Мета ана-

лізуючих схрещувань – встановити генотип фертильної рослини ЗС і

відібрати форми з генотипом Nxxzz.

Для встановлення генотипу ЗС і його виділення використовують

або парні схрещування (рослину з генотипом Sxxzz запилюють пил-

ком фертильної рослини – кандидата в ЗС) в індивідуальних ізолято-

рах, або так звану «конвертну» схему розміщення компонентів, яка

передбачає посадку чотирьох маточних коренеплодів стерильних

рослин з відомим генотипом Sxxzz у вершинах квадрата ізольованої

ділянки з площею живлення 70 х 70 см. У центрі висаджують одну

чи дві фертильні рослини. Перед цвітінням ще раз перевіряють повну

стерильність чотирьох рослин. Окремі пагони фертильної і одну сте-

рильну рослину розміщують у пергаментний або полотняний ізоля-

тор для парного схрещування й інцухтування фертильної форми. Із

насіння, зібраного із стерильної рослини, вирощують наступне поко-

ління. У період цвітіння враховують співвідношення стерильних, на-

півстерильних та фертильних форм, на підставі чого проводять гіб-

ридологічний аналіз. Для прискорення генетичного аналізу свіжозі-

бране ЧС гібридне насіння висівають того ж року, вирощуючи штек-

298

лінги (корінці масою 50-100 г), які наступного року висаджують для

аналізу. За наявності теплиць ЧС гібридне насіння висівають за цик-

лом “від насіння до цвітіння”.

Закріплювачі стерильності О типу розмножують з використанням

ізоляції або вільного перезапилення в межах групи. Генотип таких

ЗС – Nxxzz.

Якщо у генофонді селекційного закладу є колекція однонасінних

інбредних ліній (бажано не нижче 3-4 покоління, коли наступає ста-

білізація за багатьма ознаками), то їх також можна перевірити на за-

кріплювальну здатність Для цього використовують групові ізолято-

ри. Потомства від схрещування повністю стерильних рослин з лінією

– кандидатом в ЗС аналізують за кількісним співвідношенням стериль-

них та фертильних за пилком рослин. Якщо потомство у своєму

складі містить більше 90 % повністю стерильних форм, а решту –

напівстерильних першого типу, то така лінія залучається до подаль-

шого селекційного опрацювання. У разі закріплювальної здатності на

рівні 75-90 % можна вважати, що лінія – кандидат в ЗС гетерозиготна

за одним геном (x або z) і в своєму складі містить рослини з геноти-

пами NXxzz та NxxZz. Таку лінію доцільно покращувати через вилу-

чення гетерозиготних рослин.

Отже, відомі такі способи одержання ЗС:

- пошук генотипів, що закріплюють стерильність, в однонасін-

них самофертильних популяціях, однак частота таких рослин є над-

звичайно низькою;

- виділення ЗС із самонесумісних однонасінних матеріалів із за-

стосуванням сибсових (сестринських) схрещувань та вилучення ге-

терозиготних за геном x і z рослин. Такий спосіб є поширеним, але

він довготривалий;

- використання глибокоінбредних однонасінних ліній, які через

аналізуючі схрещування вивчають за закріплювальною здатністю;

- застосування маркерних генів, зчеплених з ознакою стерильно-

сті-фертильності андроцея. Такий спосіб стримується наявністю і

широким застосуванням маркерних генів;

- попереднє схрещування вихідних однонасінних матеріалів з іс-

нуючими кращими ЗС, що характеризуються, крім високої закріплю-

вальної здатності, самофертильністю, комбінаційною здатністю,

стійкістю до хвороб з метою їх насичення генами, що контролюють

ці ознаки. У таких гібридних форм через аналізуючі схрещування

ідентифікують нові рекомбінантні генотипи ЗС з комплексом селек-

ційно привабливих ознак. Такий спосіб можна вважати на сьогодні

найбільш раціональним.

Поліпшення закріплювачів стерильності. Як уже зазначалося,

використання як самозапилення, так і близькородинного схрещуван-

ня призводить до інцухт-депресії. Щоб зберегти певний рівень ознак

урожайності, цукристості, насіннєвої продуктивності й урізноманіт-

299

нити генофонд, ЗС схрещують між собою, або ж до гібридизації за-

лучають виділені ЗС інших генплазм. У таких гібридних потомств не

відбувається розщеплення за ознакою закріплювальної здатності,

проте зберігається певний ступінь гетерозиготності за іншими озна-

ками. Крім того, з використанням інцухту можна скористатися пере-

вагами комбінативної мінливості.

Іноді ЗС схрещують із донорами оригінальних ознак, відбираючи

генотипи з поєднанням корисних властивостей (наприклад, детермі-

нантний тип росту пагонів, або ж трансгени, що контролюють стій-

кість до дії гербіцидів).

Універсальність і специфічність закріплювачів стерильності.

У цукрових буряків, зазвичай, зустрічаються універсальні ЗС, тобто

такі, які забезпечують стерильність гібридного потомства від схре-

щування зі стерильними формами будь-якого походження. Проте

відомі і специфічні запилювачі, які викликають стерильність лише у

деяких потомствах. Це – ЗС рамонського типу, потомства яких скла-

даються із стерильних і напівстерильних першого типу рослин, а та-

кож Rf

par

-типу, що забезпечують стерильність від першого закріплю-

вального схрещування у стерильних форм різного походження, однак

не передбачають створення їх ЧС аналогів. Слід зазначити, що такі

специфічні ЗС не мають перспективного селекційного використання і

здебільшого слугують об’єктами для генетичного вивчення природи

ознаки стерильності-фертильності пилку в цілому.

Створення ЧС аналогів ліній О типу. Насичувальні схрещування.

Для створення пилкостерильних ліній – ЧС аналогів О типу застосову-

ють насичувальні схрещування, які є різновидом зворотних схрещувань

(бекросів), суть яких полягає у послідовній гібридизації в ряді поколінь

ЧС гібридного потомства із батьківською формою – запилювачем ЗС із

генотипом Nxxzz у суворо контрольованих умовах.

Селекційна цінність ЧС ліній визначається цінністю ЗС, оскільки

після низки зворотних, а за своєю суттю – насичувальних схрещу-

вань стерильна за пилком лінія перетворюється в аналог фертильного

закріплювача стерильності. Заміщення генотипу проходить за етапа-

ми, наведеними у табл. 13.

Таблиця 13 – Етапи створення ЧС аналогів однонасінних ліній- закріплювачів

стерильності

Схрещування

Генерація,

покоління

Тип схрещування

Заміщення генотипу

ЧС форми, %

Sxxzz х Nxxzz F1, перше Аналізуюче 50,0

те ж F

друге Насичувальне 75,0

-“- F

третє

те ж 87,5

-“- F

четверте -“- 93,.8

-“. F

п’яте -“- 96,9

-“- F

шосте -“- 98,5