Сельскохозяйственная биология, 2009, № 5, с. 56-64.

УДК 633.491:631.527:631.527.5:631.528.632

ИНДУЦИРОВАННЫЙ РЕКОМБИНОГЕНЕЗ В СЕЛЕКЦИИ КАРТОФЕЛЯ ПО ПРИЗНАКАМ, КОНТРОЛИРУЕМЫМ ПОЛИГЕНАМИ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ КОРРЕЛЯЦИЕЙ

Е.А. СИМАКОВ, И.М. ЯШИНА, С.И. ЛОГИНОВ

С использованием клубней 40 сортов и гибридов картофеля отечественной и зарубежной селекции, более 60 гибридных популяций различного происхождения, 12 образцов пыльцы детализировали схему и методику индуцированного γ-облучением рекомбиногенеза по ценным количественным признакам (крахмалистость, урожайность, полевая устойчивость к фитофторе, сроки созревания), характеризующимся отрицательными корреляциями. Рассмотрены перспективы использования рекомбинационной изменчивости в реализации селекционных программ по созданию новых сортов картофеля.

Ключевые слова: картофель, гибридные популяции, количественные признаки, γ-облучение, рекомбинации, индуцированная изменчивость, трансгрессивные рекомбинанты.

Естественными источниками генетической изменчивости у высших растении служат мутации и рекомбинации. В решении практических задач селекции ведущая роль принадлежит последним (1). Наиболее важное значение имеет мейотическая рекомбинация, на которой базируются интрогрессивная гибридизация и получение трансгрессивных генотипов (2).

Трансгрессивное расщепление наблюдается по признакам, контролируемым полигенами с аддитивным (суммарным) эффектом, определяющим промежуточный тип наследования, наличие положительных и отрицательных трансгрессий. У картофеля к числу таких признаков относятся крахмалистость клубней и полевая устойчивость к фитофторе. Среди положительных трансгрессий ведется отбор трансгрессивных рекомбинантов (ТР-гибридов), сочетающих высокие показатели селектируемого признака с урожайностью и комплексом других ценных качеств. Однако отрицательная корреляция между отдельными хозяйственно ценными признаками, препятствующая рекомбинациям между контролирующими их блоками генов, ограничивает процесс формообразования в необходимых для селекции направлениях (3). В популяциях растений картофеля отрицательная корреляционная зависимость существует между следующими показателями: высокая крахмалистость—высокая урожайность, высокая крахмалистость—раннеспелость, высокая полевая устойчивость к фитофторе—ранние сроки созревания.

Задачей нашей работы было ослабление отрицательных корреляций между полигенно контролируемыми признаками и создание условий для их последующей успешной перекомбинации на основе использования индуцированного рекомбиногенеза по схеме селекционного процесса.

Методика. Исследования проводили в 1983-2007 годах на экспериментальной базе «Коренёво» Всероссийского НИИ картофельного хозяйства им. А.Г. Лорха (ВНИИКХ, Московская обл.). В экспериментах использовали клубни 40 сортов и гибридов картофеля отечественной и зарубежной селекции, более 60 гибридных популяций различного происхождения, 12 образцов пыльцы. При отборе материала для опытов учитывали крахмалистость, урожайность, полевую устойчивость к фитофторе, сроки созревания образцов.

Для индуцирования рекомбинационной изменчивости клубни, пыльцу и гибридные семена подвергали γ-облучению (источник — ¹³⁷Сs) на установке ГУПОС Института общей генетики РАН. Дозы облучения (для клубней — 30-80 Гр, для гибридных семян — 150-450 Гр в зависимости от происхождения и сроков созревания родительских форм, для пыльцы — 35-60 Гр) были установлены ранее в исследованиях по экспериментальному мутагенезу (4-6). В полевых условиях проводили оценку поколений VM1, FM2 и М1 по нескольким показателям, соответствующим их генотипическим особенностям и направлениям отбора.

Поколение VM1 включало растения, полученные из облученных и необлученных клубней. Оценивали по 20 растений каждого сорта, высаженных на 2-рядные делянки. Из 40 облученных родительских форм (800 растений) в период вегетации было отобрано 19 образцов по трем показателям — выраженным морфологическим изменениям, наличию цветения и отсутствию симптомов депрессивности. Дополнительно в скрещиваниях использовали облученные родительские формы без видимых изменений морфологических признаков. Проводили скрещивание VM₁ x VM₁ в четырех вариантах: облученный x необлученный (О x Н), необлученный x облученный (Н x О), облученный x облученный (О x О) и необлученный x необлученный (Н x Н, контроль), а также скрещивание VM₁ x сорт. По этой же схеме в скрещивания вводили растения вегетативных поколений VM₂ и VM₃. Скрещивания выполняли в поле и в условиях вегетационной площадки по методике селекционного процесса, без кастрации и изоляции (7, 8).
Поколение FM₂ представляло собой популяции гибридов от различных вариантов скрещивания растений VM₁-VM₃, а также популяции, полученные при опылении материнских компонентов облученной пыльцой. Поскольку генетические факторы растений VM₁ в результате скрещивания участвовали в мейозе, а облученная пыльца — в оплодотворении, обозначение полученного поколения соответствует классическому М₂ (индекс F указывает на гибридное происхождение). Изменчивость гибридных популяций по количественным признакам изучали в первом клубневом поколении сеянцев. При оценке урожайности и крахмалистости, характерных для каждого генотипа, использовали 21 популяцию, из которых 7 были получены от скрещивания образцов VM₁, 5 — при опылении облученной пыльцой, 9 — от скрещивания рекомбинантов FM₂. В остальных гибридных популяциях проводили только отбор рекомбинантных генотипов. Критерием отбора служили высокие показатели двух-трех хозяйственно ценных признаков: урожайность (800-1000 г/куст)—крахмалистость (> 19 %), крахмалистость—раннеспелость, урожайность—крахмалистость— полевая устойчивость к фитофторе (7-9 баллов), раннеспелость—полевая устойчивость к фитофторе. В период вегетации отбирали гибриды с высокой полевой устойчивостью к фитофторе, а также образцы, сочетавшие ожидаемые показатели по паре признаков урожайность—крахмалистость (первые оценивали при уборке по урожайности, вторые — в послеуборочный период по крахмалистости клубней).

Оценку гибридных популяций М₁, полученных из облученных гибридных семян, выполняли в два этапа. На первом подбирали исходный материал, проводили скрещивания и облучение гибридных семян, выращивали сеянцы, осуществляли негативный отбор гибридов в период вегетации и при уборке, подготавливали клубни по комбинациям для последующего испытания. Клубневые наборы популяций (по 1 клубню от каждого гибрида) ежегодно передавали в региональные научно-исследователь-ские учреждения для проведения второго этапа — отбора ценных генотипов по схеме селекционного процесса с целью выведения новых сортов. Учитывая потребности сельскохозяйственного производства в ранних и среднеранних столовых сортах картофеля, для скрещиваний подбирали компоненты, сочетавшие ранние сроки созревания с повышенной крахмалистостью, полевой устойчивостью к фитофторозу и другим болезням (вирусным, парше, ризоктонии). В целях повышения урожайности гибридного потомства при подборе родительских форм использовали образцы с генами диких видов 591m-29, КЕ-785053, 317-4, Д-31-88, полученные в беккроссах, а также сорта, созданные на основе межвидовой гибридизации — 3арево, Кристалл, Белоусовский, Львовянка, Эффект и др.

Отбор рекомбинантных форм во всех изучаемых поколениях по устойчивости к фитофторозу, раннеспелости, крахмалистости и урожайности осуществляли в соответствии с методическими рекомендациями (7, 8).

Результаты. Растения VM₁, выращенные из облученных клубней, характеризовались сравнительно узким спектром изменчивости морфологических признаков. Основную долю составляли морфозы — доминантные мутации листовой пластинки. Разная степень депрессивности, отмеченная у части облученных растений, была обусловлена грубыми или многочисленными хромосомными перестройками; в контроле такие симптомы отсутствовали. У многих сортов и гибридов при облучении клубней снижалась интенсивность цветения, встречались нецветущие растения.

 
Из четырех вариантов гибридизации растений VM₁ успешными оказались скрещивания О x Н, Н x О и Н x Н. Результаты оценки потомства гибридных популяций FM₂ в первом клубневом поколении представлены в таблице 1. Популяции были получены с участием отечественных и зарубежных сортов и гибридов — среднеранних (Адретта, Смена), среднеспелых (Гидра, Кайюга, Новатор) и среднепоздних с повышенной крахмалистостью (Сотка, Карпатский, гибрид 270). Генетическим разнообразием родительских форм обеспечивалась возможность перекомбинации ценных признаков и повышение гетерозиготности, что послужило основой высокой урожайности выделенных образцов. Применение радиации усиливало рекомбинационные процессы, в результате чего в расщепляющемся потомстве проявлялись крайние варианты с высокими показателями по количественным признакам.

Во всех вариантах облучения увеличивались пределы варьирования урожайности. Если в контроле значения этого показателя колебались от 610 до 2180 г/куст, то в облученных вариантах — от 200 до 2500 г/куст. Наибольшие отклонения в сторону высокой урожайности отмечали в популяциях, полученных от скрещиваний Н x О и О x Н. В популяциях Адретта x Кайюга, Адретта x Гидра, Смена x Сотка, Новатор x Кайюга величина отклонений составляла 270-1110 г/куст. При скрещивании двух облученных родителей отклонения в сторону повышения урожайности были меньше и проявлялись неравномерно. В популяциях Адретта x Кайюга, Адретта x Карпатский, Новатор x Кайюга они составляли 70-930 г/куст, в популяции Адретта x Гидра эффект от скрещивания О x О не выявили.

По признаку крахмалистости увеличение амплитуды изменчивости (на 0,4-5,2 %) также наблюдалось в основном при скрещивании облученных растений с необлученными. Наиболее высокие значения этого показателя отмечали в популяциях Смена x Сотка (5,2 %) и Адретта x Гидра (3,2 %). В популяциях Адретта x Гидра (Н x О) и Новатор x Кайюга (О x Н) расширение диапазона изменчивости происходило за счет сдвига в сторону как высокой, так и низкой крахмалистости. Возможность индуцирования рекомбинантных генотипов с низким содержанием крахмала представляет интерес для некоторых направлений современной селекции картофеля, связанных с проблемой диетического питания. Варианты О x О характеризовались нестабильностью показателей изменчивости признака. В популяциях Адретта x Гидра и Адретта x Карпатский наблюдалось повышение крахмалистости в крайних классах соответственно на 0,9 и 3,2 %, в популяции Адретта x Кайюга — снижение на 2,5 % по сравнению с контролем, в популяции Новатор x Кайюга изменения отсутствовали.

Частота рекомбинантных гибридов, сочетавших высокую урожайность (> 1000 г/куст) и крахмалистость  (> 17 %), в вариантах Н x О, О x Н и О x О составляла соответственно 7,9; 6,8 и 1,6 %. Низкая эффективность варианта О x О, по-видимому, обусловлена повышенной вероятностью сочетания неблагоприятных перестроек в гибридном потомстве от двух облученных родителей. При скрещиваниях О x Н и Н x О несбалансированные комбинации генов от облученного родителя могут быть нейтрализованы посредством перекомбинации с нормальными структурами необлученного.

Высокие показатели как урожайности, так и крахмалистости отмечены в гибридных популяциях Адретта x Гидра, Адретта x Сотка, Смена x Сотка, Новатор x Кайюга и Новатор x гибрид 270, полученных от скрещиваний Н x О и О x Н. Высокой степенью индуцированной изменчивости по двум количественным признакам характеризовался только один вариант О x О в популяции Адретта x Карпатский. Все перечисленные популяции происходят от скрещивания родительских форм разных сроков созревания, в четырех из них, полученных с участием родителей, обладающих повышенной крахмалистостью (Адретта, Карпатский, Сотка, гибрид 270), наблюдались наиболее значительные отклонения в сторону ее повышения (см. табл. 1).

Подбор комбинаций для скрещиваний позволяет управлять формообразовательными процессами в потомстве, что особенно эффективно в отношении аддитивно наследуемых количественных признаков, по которым фенотип соответствует генотипической структуре (крахмалистость, полевая устойчивость к фитофторозу, раннеспелость). В отличие от этих признаков урожайность определяется комбинационной способностью родительских форм и прямо зависит от гетерозиготности. Косвенными показателями для подбора по этому признаку могут быть различия в происхождении и сроках созревания родительских компонентов.

Результаты оценки популяций FM₂, полученных при опылении материнских компонентов γ-облученной пыльцой сортов-опылителей (доза 35 Гр), в первом клубневом поколении представлены в таблице 2. В происхождении популяций участвовало семь сортов: два среднеранних (Смена, Любимец), два среднеспелых (Кайюга, Зубренок) и три среднепоздних (Пересвет, Раменский, гибрид 560-9). Три образца (Зубренок, Раменский, гибрид 560-9) выделялись повышенной крахмалистостью. Эти фенотипические показатели свидетельствуют о генетическом разнообразии популяций и возможности индуцирования ценных рекомбинаций.

 
Пределы варьирования урожайности в сторону увеличения ее значений в вариантах с облученной пыльцой превышали контрольные на 140-290 г/куст, крахмалистости — на 0,4-3,0 % и более. Причем если по урожайности изменчивость возрастала во всех популяциях, то по крахмалистости — определялась повышенным содержанием крахмала у одной из родительских форм. В популяциях Смена x Раменский, Любимец x Зубренок, гибрид 560-9 x Кайюга наблюдалось увеличение амплитуды распределения по обоим количественным признакам. В двух популяциях (Смена x Раменский, Любимец x Зубренок) увеличение широты распределения по урожайности и крахмалистости происходило за счет отклонения частот в сторону более высоких и более низких показателей по обоим признакам.

Частота индивидуально отобранных рекомбинаций, сочетающих высокую урожайность (> 1000 г/куст) и крахмалистость (> 17 %), составляла в первых двух популяциях 6,9 %, в трех других — 9,8 %, в контроле — соответственно 1,7 и 2,0 % (см. табл. 2).

При оценке поколения M1 из g-облученных гибридных семян установили, что в группе популяций, полученных на основе ранних исходных форм, средняя урожайность гибридов в варианте γ-облучения была 855 г/куст и превышала контроль на 7,5 %. В среднеранней группе этот показатель составлял 617 г/куст (14,7 %), в среднеспелой — 603 г/куст (34,8 %), в среднепоздней — 650 г/куст (14,6 %). Отметим, что гибриды, созревавшие позднее, к моменту уборки (через 65 сут после посадки) не успевали реализовывать потенциал накопления урожая клубней.

В большинстве гибридных популяций под действием γ-облучения в дозе 450 Гр наблюдалось значительное расширение вариабельности признака урожайности. В группе ранних популяций коэффициент вариации (Cv) равнялся 37,28 %, превышая контроль на 4,72 %, в среднеранней группе эти показатели составляли соответственно 34,47 и 7,50 %, в среднеспелой — 37,90 и 12,53 %, в среднепоздней — 31,87 и 9,16%. Наиболее перспективными для эффективного селекционного отбора оказались гибридные популяции, у которых высокая средняя урожайность сочеталась с увеличенным коэффициентом вариации. Среди них — Мавка x Гитте (средняя урожайность 1030 г/куст, пределы варьирования 30-2100 г/куст, коэффициент вариации 50,57 %), Никола x Барака (1030 г/куст, 30-2200 г/куст, 49,05 %), Резерв x Аспия (750 г/куст, 10-1300 г/куст, 37,23 %), 34-7(8)-12 x 807-11 (680 г/куст, 100-1200 г/куст, 48,72 %), 88.17/122 x 807-11 (900 г/куст, 100-1700 г/куст, 47,89 %), 653m-15 x 34-7(8)-12 (1060 г/куст, 100-2300 г/куст, 47,66 %), Кардинал x Барака (800 г/куст, 200-1300 г/куст, 52,80 %). Максимальная урожайность большинства (79,0 %) гибридов первой клубневой репродукции в контроле не превышала 700 г/куст, в варианте g-облучения доля таких гибридов составила только 71,2 % (табл. 3).

В гибридных популяциях ранней группы созревания гибриды с крахмалистостью, превышающей показатели стандартного сорта Искра (14,6 %), выделились только у гибридной популяции Скороплодный x Шурминский 2 (164 гибрида из 1043).

Из 2171 гибрида среднеранней группы 858 (39,5 %) имели более высокую крахмалистость по сравнению с ранним стандартом, причем 512 из них относились к варианту с γ-облучением, 346 — к контролю. В среднеспелой группе таких образцов было 848 (52,0 %) (675 g-облученных и 173 контрольных) из 1630, в среднепоздней группе — 1214 (80,0 %) (соответственно 786 и 428) из 1517. Наибольшее число высококрахмалистых раннеспелых форм оказалось индуцировано в гибридных популяциях 653m-15 x 34-7(8)-12 (22,9 %), Кристалл x Калинка (20,7 %), Кристалл x 27Б-662 (20,4 %), 653m-15 x Барака (19,3 %), Куфри Дева x Гитте (19,3 %), Никола x Истринский (19,1 %), Шурминский 2 x Мони (18,5 %), Шурминский 2 x Адретта (18,1 %) и Эффект x Аспия (18,1 %). Большинство высококрахмалистых форм отобрали среди гибридов в вариантах с облучением, то есть под действием g-излучения индуцировался широкий спектр изменчивости по срокам созревания. По мере увеличения продолжительности вегетационного периода исходных родительских форм у выделенных в их потомстве раннеспелых гибридов возрастало содержание крахмала в клубнях (табл. 4). Так, если в раннеспелой группе средняя крахмалистость гибридов колебалась в пределах 11,2 (контроль)-13,3 % (γ-облучение), то в среднеранней эти показатели составляли 13,0-15,7 %, в среднеспелой — 14,4-17,2 %, в среднепоздней — 16,3-18,1 %.

В различных по происхождению популяциях FM₂ было отобрано 29 рекомбинантных гибридов, которые после повторного испытания в полевых условиях экспериментальной базы «Коренёво» ВНИИКХ вовлекали в скрещивания для оценки по потомству. Наиболее широко в скрещиваниях и селекционном испытании использовали 8 рекомбинантных форм, из которых 4 образца были получены от скрещивания родительских форм из облученных клубней, 2 — от опыления облученной пыльцой и 2 — из облученных семян. Большую часть рекомбинантов отобрали в популяциях, полученных в оптимальных вариантах скрещивания облученных родительских форм с необлученными (Н x О; О x Н) и от удачных комбинаций родителей разных сроков созревания.

Идентифицированные рекомбинанты характеризовались сочетанием высоких показателей крахмалистости (20-29 %) и урожайности (880-1100 г/куст) и были носителями индуцированных генетических рекомбинаций между ценными количественными признаками. Всего для вовлечения рекомбинантов в гибридизацию было выполнено более 80 вариантов скрещиваний. В результате получили новые гибриды от прямых скрещиваний с рекомбинантами и от повторных — с выделенным потомством. Большую часть гибридного материала (кроме переданного селекционерам других научно-исследовательских учреждений) использовали в программе по созданию новых исходных форм — специальных родительских линий для наиболее важных направлений селекции.

К настоящему времени из гибридного материала от прямых скрещиваний рекомбинантов со среднепоздними родительскими формами выделены два новых сорта — Башкирский ранний (создан совместно с Башкирским НИИ сельского хозяйства) и Нальчикский (создан совместно с Кабардино-Балкарским НИИ сельского хозяйства). Сорт Башкирский ранний получен от скрещивания Белоусовский x 262/82-3, раннеспелый, столового назначения, клубни розовые с белой мякотью, содержание крахмала — 14,6-19,8 %, внесен в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к применению в Российской Федерации. Сорт Нальчикский получен от скрещивания 263/82-1 x Зарево, среднеспелый, столовый, с крахмалистостью 14,8-15,8 %, устойчив к вирусам (9 баллов), фитофторозу (8 баллов), клубни белые, передан на государственное сортоиспытание. Оба сорта получены при скрещивании рекомбинантов со среднепоздними сортами (Белоусовский, Зарево) и отличаются от родителей более ранними сроками созревания.

Первые образцы, полученные с использованием γ-облучения семян (Брянский деликатес и Самарский), передали на государственное сортоиспытание в 1998-1999 годах. Происхождение и характеристика сортов, созданных в 1999-2007 годах отбором в поколении М₁, представлены в таблице 5. Популяции М₁ в основном происходили от скрещивания поздних, среднепоздних и среднеспелых родительских форм. Однако в результате оценки по схеме селекционного процесса из них выделили сорта более ранних сроков созревания (6 — ранних и среднеранних, 3 — среднеспелых), то есть при воздействии g-излучения как по степени созревания, так и по крахмалистости индуцировался более широкий спектр изменчивости, обусловленный транслокациями, вследствие чего в популяциях расширилась возможность отбора ранних высококрахмалистых генотипов.

Таким образом, наиболее простым, доступным и эффективным способом индуцирования рекомбинационной изменчивости по важнейшим хозяйственно ценным признакам, находящимся в отрицательной корреляции, служит γ-облучение гибридных семян картофеля. В качестве доноров основных количественных признаков могут быть использованы дикие виды, межвидовые гибриды или сорта, несущие гены диких видов. Применение в скрещиваниях облученной пыльцы также представляет собой удобный и простой способ рекомбиногенного воздействия, который можно включать в селекционный процесс на этапе гибридизации. Этот прием одинаково эффективен для повышения как урожайности, так и крахмалистости. При создании ранних генотипов с повышенным содержанием крахмала перспективно введение в скрещивания одного высококрахмалистого партнера и одного раннеспелого компонента. Более сложный способ индуцирования рекомбинационной изменчивости — облучение клубней родительских форм для последующего использования генотипов VM₁ и VM₂ в скрещиваниях. Рекомбиногенное воздействие на пределы варьирования количественных признаков в этом случае неравномерно — от значительного до отсутствия эффекта, что обусловлено способностью растений из облученных клубней в период первоначального роста элиминировать часть изменений или повышать их сбалансированность.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Ж у ч е н к о  А.А. Экологическая генетика культурных растений (адаптация, рекомбиногенез, агробиоценоз). Кишинев, 1980.
2. Ж у ч е н к о  А.А.,  К о р о л ь  А.Б. Рекомбинация в эволюции и селекции. М., 1985.
3. Ж у ч е н к о  А.А. Мейотическая рекомбинация — краеугольный камень селекции растений. Мат. межд. науч.-практ. конф. «Приоритетные направления в селекции и семеноводстве сельскохозяйственных растений в XXI веке (15-18 декабря 2003 г.)». М., 2003: 5-64.
4. С и м а к о в  Е.А.,  Я ш и н а  И.М. Действия высоких доз радиации на изменчивость разных сортов картофеля. Сб. науч. тр. НИИКХ, 1985: 35-43.
5. С и м а к о в  Е.А.,  Я ш и н а  И.М. Гамма-излучение в сочетании с гибридизацией для целей селекции картофеля. Тез. докл. II Всесоюз. конф. по прикладной радиобиологии. Киев, 1985, ч. 1: 44.
6. С и м а к о в  Е.А.,  Я ш и н а  И.М.,  Л о г и н о в  И.Я. Результаты радиационной селекции картофеля. Сел. и сем., 1991, 6: 2-4.
7. Методика исследований по культуре картофеля /Под ред. Н.С. Бацанова. М., 1967.
8. Методические указания по технологии селекционного процесса картофеля /Под ред. Б.А. Писарева. М., 1994.

INDUCED RECOMBINATIONS IN POTATO BREEDING ON DETERMINANTS CONTROLLED BY POLYGENES WITH NEGATIVE CORRELATION

E.A. Simakov, I.M. Yashina, S.I. Loginov

With the using of tubers of the 40 varieties and potato hybrids of native and foreign selection, more than 60 hybrid populations of different origin, 12 samples of pollen the authors have worked out in detail the scheme and the technique of induced by γ-rays recombinations on valueable quantitative determinants (starch, productivity, field resistance to late blight disease of potato, time of ripening), which are characterized by negative correlations. The prospects were considered for application of recombinational variability in realization of breeding programs of creation of new potato varieties.

Key words: potato, hybrid populations, quantitative characteristics, γ-irradiation, recombinations, induced variability, TR-hybrids.

Оформление электронного оттиска