Заключительный отчет по ГК № 02.518.11.7174 от 08 июня 2009 г.
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Х.М.БЕРБЕКОВА УДК 582.4; 581.5 № госрегистрации 01200905949 УТВЕРЖДАЮ Ректор д.т.н., проф. Б.С. Карамурзов _____________ « » октября 2010 г. ОТЧЕТ по теме ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БОТАНИЧЕСКОГО САДА КАБАРДИНО-БАЛКАРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА им. Х.М.БЕРБЕКОВА (заключительный) Государственный контракт от «08» июня 2009 г. № 02.518.11.7174 Шифр «2009-07-1.8-00-06-094» по этапу № 4: Проведение исследований по геномному анализу, выявлению морфофизиологических критериев по выживанию редких и эндемичных видов растений Проректор по научноисследовательской работе и информатизации А.П.Савинцев Руководитель темы А.Ю.Паритов Нальчик 2010 1 СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель темы к. б. н., доцент А.Ю.Паритов (раздел 1 - 4) Исполнители темы С.Г.Козьминов (введение, раздел 1 - 4, заключение) Т.Л.Слонов (раздел 1 - 4) Т.Х.Гогузоков (раздел 1 - 4) З.И.Боготова (раздел 2 - 3) Н.Т.Башкур (раздел 2) И.Б.Панжокова (раздел 2) З.И.Хахриева (раздел 2) Арахова Ф.М. (раздел 3) Хаджиева М.Б. (раздел 3) Нормоконтролер Е.А.Кольченко 2 РЕФЕРАТ Отчет 147 с., 1 рис., 10 табл., 50 источников. ВИД, ГЕНОТИП, МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ, ЛИНИЯ, ЭНДЕМИК, ПОТЕНЦИАЛ, СЕЛЕКЦИЯ, САМООПЫЛЕННЫЕ, КУКУРУЗА, ЛИНИИ, АДАПТИВНАЯ СПОСОБНОСТЬ. Объектом исследования являются эндемичные растения и самоопыленные линии кукурузы для молекулярно-генетического анализа, селекции, определения адаптивного потенциала и морфофизиологических критериав адаптаций и онтогенеза, являющихся представителями флоры особо охраняемых территорий, а также используемых в практической деятельности и селекции высокопродуктивных сортов растений. Цель работы – молекулярно-генетический анализ эндемичных видов растений и линий кукурузы, селекция и изучение генетического контроля количественных признаков многопочатковых линий кукурузы и анализ их общей и специфической комбинационной способности, с целью определения параметров общей и специфической адаптивной способности генотипов, их стабильности, морфофизиологических этапов онтогенеза. В процессе работы проводились молекулярно-генетических анализ эндемичных видов растений и самоопыленных линий кукурузы, оценка адаптивного потенциала, генетический контроль признаков, и потенциала формирования многопочатковости, морфофизиологические исследования, экспериментальные исследования по стандартным методикам. Объектами изучения послужили эндемичные виды растений растения Digitalis grandiflora, Adonis vernalis и самоопыленные линии кукурузы, их молекулярно-генетический морфофизиологические анализ, адаптации, позволяющие особенности селекции, выявить возможности произрастания в регионах с комплексом физико-химических факторов среды. В результате исследований получены новые оригинальные данные, заметно пополняющие знания о морфофизиологии, генетике, экологии, структуре природных популяций эндемичных видов и селекции 3 самоопыленных линий кукурузы. Полученные результаты позволят выявить генетическую составляющую количественных признаков у кукурузы, их адаптивный потенциал, генетическую структуры популяций эндемичных видов, определить морфофизиологические адаптации к факторам среды. На основании молекулярно-генетичеcкого анализа установлены уровень и состав генетического разнообразия популяций. Генетическая изменчивость у D. grandiflora и A. vernalis варьирует в узких пределах, несмотря на небольшую численность и изолированность. Количественные признаки у кукурузы в онтогенезе показали, что высота растений контролируется сложной системой, составные которой могут переопределяться в процессе индивидуального роста. Определено, что генетические составляющие, контролирующих становление количественных признаков у кукурузы в морфофизиологическом онтогенезе контролируется системой, составные которой могут переопределяться в процессе индивидуального развития. Основные показатели геномного анализа: высокая степень определения генетических компонентов эндемичных видов, количественных признаков самоопыленных линий кукурузы при определении структуры популяций и сортов с ценно-хозяйственными качествами. Степень внедрения — молекулярно-генетический анализ рекомендован для селекции растений, определения адаптивного потенциала, сохранения уникального генофонда эндемичных видов. Эффективность исследований позволила определить генетические составляющие эндемичных видов растений, их популяций, количественных признаков у кукурузы, общую и специфическую адаптивную способность, для дальнейшего сохранения уникального генофонда растений и перспективной селекции. Материалы работы используются при чтении в КБГУ на биологическом факультете курсов лекций «Генетика», «Эволюционное учение» и спецкурсов «Охрана флоры и фауны», «Селекция и семеноводство», «Теоретические основы систематики». 4 СОДЕРЖАНИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ………………………………………………7 ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………….8 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………………….12 1 Результаты, полученные на предыдущих этапах работ ……………………….12 2 Геномный анализ эндемичных и культурных видов, оценка адаптивного потенциала ….…….............................................................................20 2.1 Биологические особенности эндемичных видов растений Adonis vernalis L………………………………………………….….……………...23 2.2 Анализ генофондов эндемичных видов растений на основании оценок полиморфизма ……………………………………………..25 2.3 Молекулярно-генетическая паспортизация редких видов растений .….…...29 2.4 Генетический контроль количественных признаков кукурузы ...…………..32 2.5 Определение общей и специфической адаптивной способности, стабильности генотипов и дифференцирующей способности сред ……………41 3 Селекция самоопыляемых линий кукурузы и морфофизиологические критерии адаптаций .………....................................................................................49 3.1 Проблема взаимодействия генотип х среда в селекции растений ...............62 3.2 Эволюционно-генетические основы адаптивной способности и экологической стабильности генотипов ...................................................................65 3.3 Основные особенности адаптивной селекции растений ..…………….........76 3.4 Основа методики селекции и характеристика исходного материала ………83 3.5 Морфофизиологические особенности развития растений кукурузы и потенциал в формировании многопочатковости ……………………….……..93 3.6 Морфофизиологические этапы онтогенеза у самоопыленных линий кукурузы …………………………………………………………………..112 4 Технико-экономическая оценка результатов научноисследовательской работы………………………………………………………..124 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………...127 5 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………….130 ПРИЛОЖЕНИЕ А Перечень организаций-пользователей объекта научной инфраструктуры (БС КБГУ) за период выполнения контракта…………………………………………………………………………..138 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Перечень публикаций, принятых к изданию по результатам выполнения контракта…………………………….……………143 ПРИЛОЖЕНИЕ В Перечень дипломных работ, подготовленных с использованием объекта научной инфраструктуры (БС КБГУ) за период выполнения контракта …………………………………………………………...145 ПРИЛОЖЕНИЕ Г Перечень диссертационных работ, подготовленных с использованием объекта научной инфраструктуры (БС КБГУ) за период выполнения контракта …………………………………………………………...146 ПРИЛОЖЕНИЕ Е Перечень патентов и поданных заявок на результаты интеллектуальной деятельности за период выполнения контракта…………...147 6 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ КБГУ – Кабардино-Балкарский государственный университет ПЦР – полимеразная цепная реакция ОАС - общая адаптивная способность генотипов САС - специфическая адаптивная способность генотипов ВГС - взаимодействие генотип х среда СЦГ - селекционная ценность генотипа К – сравнительный коэффициент продуктивности Vp - варианса родительских линий; Vr - варианса гибридов родительского ряда; Vr - варианса средних потомств каждой родительской линии; Wr - варианса между гибридами r-го ряда и соответствующими им родителями и её среднее значение F1-P - средняя гибридов минус средняя родительских линий. D - аддитивный эффект; E - средовая варианса; h2 - алгебраическая сумма доминантных генов; H1 и H2 - положительные эффекты генов; F - компонент, отражающий направление доминирования. H1/D - средняя степень доминирования; F - относительная частота распределения доминантных и рецессивных аллелей у родительских сортов. h2/H2 - число генов или групп генов, которые при контролировании признака проявляют эффекты доминирования. IRAP - Inter-Retrotransposon Amplified Polymorphism (анализ полиморфных участков ДНК амплифицированных между ретротранспозонами) ISSR - Inter Simple Sequence Repeats (анализ полиморфных участков ДНК с одним или несколькими праймерами, не требующего предварительного клонирования). 7 ВВЕДЕНИЕ Сохранение биологического разнообразия занимает особое место среди глобальных проблем современности. Основой биологического разнообразия является его генетическая компонента. Сокращение видового и генетического разнообразия представляет реальную угрозу для биосферы, поскольку устойчивость воспроизводства природных экосистем и агроэкосистем непосредственно связана с их генетически обусловленным потенциалом к адаптациям к меняющимся условиям окружающей среды. Впервые концепция о необходимости контроля и мобилизации мировых растительных ресурсов была разработана Н.И. Вавиловым, что легло в основу планомерной работы по созданию банков растительных ресурсов в разных странах. Популяционный подход остается наименее разработанным в области сохранения биоразнообразия растений, поскольку до сих пор отсутствуют общепринятые методы идентификации не только популяционных, но даже видовых особенностей генофондов. Анализ молекулярно-генетических маркеров полиморфизма белков и различных участков геномной ДНК позволил выявлять внутривидовое генетическое разнообразие, оценить гетерозиготность, реконструировать филогенетические взаимоотношения между видами и пространственные взаимосвязи между популяциями. В то же эффективность молекулярно-генетических использования время, маркеров для исследований генофондов до сих пор остается достаточно низкой из-за ограниченности количества локусов, доступных для одновременного генотипирования особей. Это требует поиска новых подходов одновременного молекулярного маркирования многих геномных участков, которые могли бы позволить создавать «геномный портрет» каждого отдельного индивидуума и, таким образом, наиболее объективно оценивать своеобразие генофондов популяций. Особую важность разработка таких методов имеет для решения главной проблемы в поддержании биоразнообразия - отбора наиболее типичных представителей популяций и создания генетически обоснованных программ по их сохранению. 8 Проблема адаптации всегда занимала центральное место в эволюционной теории, а также в практике сельского хозяйства. Адаптация растений к новым условиям среды достигается за счет модификационной и генотипической изменчивости, то есть путем перестройки комплекса физиолого-биохимических и морфоанатомических признаков самого растения в онтогенезе и образования новых норм реакций в филогенезе. Стратегия биологической адаптации реализуется на разных уровнях развития живой материи. Под адаптивным потенциалом высших растений понимается их способность к выживанию, воспроизведению и саморазвитию в постоянно изменяющихся условиях внешней среды за счет взаимосвязанного функционирования генетических программ адаптации. Одной из важнейших характеристик адаптивного потенциала растений является их способность к саморегуляции. В настоящее время перед селекционерами стоит задача не только повысить продуктивность растений, но и сочетать ее с устойчивостью к абиотическим и биотическим условиям среды. В связи с этим внимание исследователей привлечено к разработке методов оценки устойчивости (стабильность, общая и специфическая адаптивная способность генотипа), а также к методам селекции с целью оптимизации этих важных свойств растений. В литературу прочно вошли термины «общая и специфическая адаптивная способность», отражающие общую реакцию генотипа во всей совокупности сред и специфическую реакцию в определенной среде. Однако пока отсутствуют методы оценки этих параметров. Изучение генотипов различных средах может также дать информацию о средах как фонах для отбора. В Российской Федерации валовые сборы зерна кукурузы в последние годы значительно уменьшились. Основные причины – сокращение посевов зерновой кукурузы, незначительная площадь на орошаемых землях; слабое внедрение высокопродуктивных гибридов, особенно ранних и среднеранних сроках созревания; отсутствие налаженного семеноводства гетерозисных гибридов. 9 По питательности зерна по сравнению с другими растениями кукуруза стоит значительно выше. Зерно ее широко используют для кормовых (около 65% мирового производства), продовольственных целей (более 25%) и на сырье для промышленности (10%). В зеленой массе кукурузы содержится 1,5 – 2,7% сырого белка, 0,7 – 0,8% масла, 9 – 12% безазотистых экстрактивных веществ, 1,3 – 1,9% золы, 5 – 6% клетчатки, а также большое количество каротина (провитамина А). В решении задачи увеличения производство продуктов питания центральное место отведено производству продовольственного и фуражного зерна. В связи с этим важно разработать эффективные способы и методы создания сортов с высокой урожайностью и устойчивостью к различным экстремальным воздействиям. Научно – исследовательские учреждения РФ, занимающиеся селекцией кукурузы, решили многие вопросы, связанные с получением высокопродуктивных гибридов для различных почвенно-климатических зон страны, разработали методы выведения высоколизиновых, простых и многолинейных гибридов с использованием мирового генофонда кукурузы ВИР в нашей стране районирована в последние годы. В настоящее время по – прежнему актуальна идея Н.И. Вавилова о единении исследований селекционеров с генетиками, физиологами, биохимиками и специалистами по иммунитету растений. Без глубокого теоретического осмысления полученных научных результатов биологических и сельскохозяйственных исследований, без разработки новых современных методов селекции и знания исходного материала невозможно получение высокопродуктивных сортов и гибридов. Для достижения поставленной цели на 4-м этапе проекта нами решались следующие задачи: 1. определить общую и эффективную численность популяций, некоторые эколого-биологические особенности некоторых эндемичных видов растений; 10 2. исследовать генетическое разнообразие популяций некоторых эндемичных видов растений; 3. провести генетический контроль количественных признаков кукурузы и определить общую и специфическую адаптивную способность; 4. определить пути селекции самоопыленных линий кукурузы и морфофизиологические критерии адаптаций; 5. выявить проблемы взаимодействия генотипа и среды в селекции и эволюционно-генетические основы адаптивной способности; 6. изучить биологический потенциал используемого исходного материала в селекции и определить особенности у них формирования початков; 7. определить морфофизиологические особенности адаптаций в морфофизиологическом онтогенезе кукурузы и потенциал в формировании многопочатковости. В результате проведения данного этапа НИР получены новые оригинальные данные, пополняющие генетический фонд, селекцию растений, охрану популяций эндемичных видов региональной флоры и рациональное природопользование. 11 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1 РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ПРЕДЫДУЩИХ ЭТАПАХ РАБОТ На 1-м этапе проекта нами были следующие задачи и получены следующие результаты: установлен видовой состав эпифитных и некоторых эпилитных лишайников в древесно-кустарниковом сообществе. Он составил 14 видов лишайников, принадлежащим к 8 родам и 7 семействам. Анализ лишайников показал, что из основных жизненных форм во флоре преобладают накипные виды. Экспериментальные сведения по облепихе свидетельствовали о высокой пластичности с широким диапазоном биолого-экологических дикорастущих признаков. популяций Изучение позволило естественных, выделить и описать местных наиболее перспективные формы растений с ценными хозяйственно-биологическими свойствами. Было показано, что сроки наступления фенофаз зависили от метеорологических условий. В результате отмечалась ранняя вегетация у культурной облепихи, и поздняя вегетация у дикорастущей. Климатические факторы среды влияли на динамику ростовых процессов у облепихи. Продолжительность и интенсивность роста листьев зависела от максимальной температуры воздуха, а у побегов от распределения осадков по годам. Выявлено, что в процессе онтогенеза наблюдается различная интенсивность роста листьев и побегов мужских и женских растений. Мужские особи выделялись более интенсивным ростом. Было показателями показана, к что колебаниям наиболее устойчивыми метеорологических биохимическими условий оказались аскорбиновая кислота и кислотность. Выявлена лучшая дикорастущая форма 2 по химическому составу плодов. На втором этапе были получены следующие результаты. В настоящее время перед селекционерами стоит задача не только повысить продуктивность растений, но и сочетать ее с устойчивостью к абиотическим и биотическим условиям среды. В связи с этим внимание исследователей привлечено к 12 разработке методов оценки устойчивости (стабильность, общая и специфическая адаптивная способность генотипа), а также к методам селекции с целью оптимизации этих важных свойств растений. В литературу прочно вошли термины «общая и специфическая адаптивная способность», отражающие общую реакцию генотипа во всей совокупности сред и специфическую реакцию в определенной среде. Однако пока отсутствуют методы оценки этих параметров. Изучение генотипов различных средах может также дать информацию о средах как фонах для отбора. Проблема адаптации всегда занимала центральное место в эволюционной теории, а также в практике сельского хозяйства. Адаптация растений к новым условиям среды достигается за счет модификационной и генотипической изменчивости, то есть путем перестройки комплекса физиолого-биохимических и морфоанатомических признаков самого растения в онтогенезе и образования новых норм реакций в филогенезе. Стратегия биологической адаптации реализуется на разных уровнях развития живой материи. Под адаптивным потенциалом высших растений понимается их способность к выживанию, воспроизведению и саморазвитию в постоянно изменяющихся условиях внешней среды за счет взаимосвязанного функционирования генетических программ адаптации. Одной из важнейших характеристик адаптивного потенциала растений является их способность к саморегуляции. Взаимодействие генотип х среда (ВГС) определяется как доля фенотипической вариации, которая возникает из-за несоответствия генетических и негенетических эффектов (Тарутина, Хотылева, 1982). Это означает, что при изучении генотипов в различающихся средах происходит изменение их рангов в связи с различной нормой реакции генотипа на среду. Резервы расширения посевов еще далеко не исчерпаны. Необходимо создание и внедрение в производство высокопродуктивных сортов и гибридов. Одним из важных показателей при выведении новых самоопыленных линий, сортов и гибридов являются количественные признаки элементов продуктивности, которые определяются высотой растений, количеством 13 початков на растении, массой початка, а также длиной и диаметром початка, числом рядов зерен, массой 1000 зерен. При изыскании резервов дальнейшего повышения зерновой продуктивности кукурузного растения в последнее время все большее внимание селекционерами уделяется признаку многопочатковости. В настоящее время частная генетика кукурузы является методической основой селекционной работы с этой культурой, так как все этапы селекционного процесса, начиная с получения и подбора исходного материала, проведения различных улучшающих отборов, методов гибридизации, а также разработки приемов агротехники и семеноводства, основаны на генетически регулируемых процессах. Генетиками разработаны пути и методы привлечения в селекцию новых видов и родов растений с целью переноса ценных генов от одних видов растения к другим – замены или удаления хромосом, использования отдельных генетических признаков в практической работе. Рост городов и промышленных центров тесно связан с проблемой озеленения. Оздоровление и улучшение микроклимата городской среды, достигается целым комплексом мероприятий, среди которых ведущее место занимает зеленое строительство. Художественное воздействие цветочных растений и декоративных лиан, их красочное сочетание имеет эстетическое, оздоровительное, и самое главное, гигиеническое значение. Растения улучшают микроклимат помещений, предохраняют сооружения от перегрева, создают прохладу и улучшают условия в закрытых помещениях. В озеленении фасадов, зданий, беседок, оград, а также при внутреннем оформлении, большое внимание уделяется лианам. Преимущество их перед другими растениями заключается в том, что они за сравнительно короткое время и на небольшой площади создают большой декоративный эффект в украшении стен, лестничных пролетов, оконных проемов и т.д. Кроме того, с помощью небольшого количества лиан можно озеленить достаточно большую площадь. 14 В западных странах очень широко используют вьющиеся растения. Вертикальное озеленение создает высокий декоративный эффект для обычных зданий, может украсить и ценные, в архитектурном отношении, сооружения. Приемы вертикального озеленения, в Болгарии, например, используют в отдельных уголках парка, создавая перголы и полуперголы с виноградом. А в Египте из кустарниковых лиан создают удивительные композиции, украшают беседки, веранды, арки. В России, к сожалению, проблемой вертикального озеленения мало кто серьезно занимался. Вьющиеся растения при соответственном их размещении и подборе густооблиственных видов полностью устраняют перегрев зданий летом и уменьшают охлаждение их зимой. Терморегуляция -это вторая важная особенность этих растений. А в-третьих, очень важной функцией является санитарно-гигиеническая, т.е. предохранение от пыли, особенно в помещениях крупных заводов и фабрик. Изучением биологических особенностей некоторых видов вьющихся и лазающих растений в условиях закрытого грунта в России и за рубежом занимались многие исследователи и испытатели. Данная проблема слабо изучена и очень мало видов внедрено. В связи с вышесказанным, назрела необходимость провести работу по выведению новых сортов и их внедрение, изучению эколого-биологических особенностей, адаптационных механизмов в условиях ботанического сада КБГУ с целью пополнения биоразнообразия растений использующихся человеком и оценки перспективы внедрения новых сортов в экосистемы с антропогенной нагрузкой путем введения в агрокультуру. Для достижения поставленной цели на 2-м этапе проекта нами были решены следующие задачи: выделены линии с высокой комбинативной изменчивостью для получения высокорослых гибридов и провести общую и специфическую комбинативную изменчивость линий представляющих интерес для практической селекции; проведен генетический анализ самоопыленных линий кукурузы по признаку «высота растений» в системе диаллельных 15 скрещиваний для определения вклада аддитивных и неаддитивных генов для получения сведений о направлении использования линий; проведен генетический контроль линий кукурузы по признакам «число початков на главном стебле» и «масса зерна с растения»; выделены линии с высокой и низкой комбинативной способностью перспективных для селекции; составлен флористический список вьющихся, лазающих и ампельных растений для закрытого и открытого грунта перспективных для внедрения в культуру; На третьем этапе изучено сохранение биологического разнообразия. Первоочередной задачей выявления биооразнообразия в применении к животному миру является инвентаризация региональных фаун различных групп животных, прежде всего беспозвоночных, изученность которых неизмеримо ниже, чем позвоночных. Вместе с тем, сформировалось представление о том, что именно беспозвоночные проделывают основную биоценотическую работу, обеспечивая через трофические связи круговорот вещества и энергии в экосистемах. В отечественной литературе имеется много данных о том, что именно беспозвоночным, особенно наземным членистоногим, принадлежит главенствующая роль в трансформации веществ и энергии. К их числу относятся и мухи-журчалки и стрекозы. Сирфиды (Syrphidae) - одно из крупнейших семейств двукрылых; в мировой фауне известно более 5000 видов, из них около 1100 видов обитают на территории России. Для большинства представителей семейства характерна мимикрия – внешне они напоминают ос, шмелей и пчел. Имаго сирфид отличаются от других мух наличием на крыльях ложной дополнительной жилки (vena spuria), исключение составляют виды рода Распространены журчалки повсеместно от экваториальных Graptomyza. лесов до арктических тундр. Сирфиды - довольно молодое с филогенетической точки зрения семейство: древнейшие находки этих мух относятся к верхнему мелу (Жерихин, 1980). В эоцене-миоцене появились многие, богато представленные ныне роды (Hull, 1945, 1949), некоторые виды которых уже тогда были близки 16 к современным (Штакельберг,1925). Эволюция сирфид была, неразрывно связана с эволюцией цветковых растений, так как эти мухи являются антофильными насекомыми и питаются главным образом пыльцой и нектаром цветковых растений (Гринфельд, 1955). Они принадлежат к числу массовых посетителей многих энтомофильных растений и имеют огромное значение в их опылении. Личинки сирфид, в отличие от имаго, имеют более широкий спектр трофических связей, вследствие чего они занимают разнообразные экологические ниши. Морфология личинок довольно изменчива, но для всех видов характерно наличие двойной дыхательной трубочки на заднем конце тела. Большинство Syrphinae на стадии личинки – энтомофаги; они питаются тлями, мелкими гусеницами, личинками жуков-листоедов и другими мелкими насекомыми с мягкими покровами и существенно регулируют их численность в природе. Личинки многих видов подсемейства Milesiinae - сапрофаги и ксилофаги. Ускоряя процесс разложения сложных органических соединений, они играют важную роль в круговороте веществ. Личинки Microdontinae и Volucella обитают в гнездах общественных перепончатокрылых: муравьев, шмелей и ос, где питаются отходами их жизнедеятельности (Неrmаn, 1982). Среди cирфид мало вредных видов, лишь некоторые журчалки рода Eristalis случайно оказываются причиной миазов у человека (Leclercq, 1981), а ряд представителей рода Eumerus, чьи личинки развиваются в луковицах и корнеплодах культурных растений, могут причинять определенный ущерб сельскому хозяйству и цветоводству (Бессмертная, 1954). До настоящего времени сирфиды горных регионов, в том числе Кавказа, изучены недостаточно: нет фаунистического списка сирфид и их экологических характеристик. Вследствие этого, литературных данных по сирфидам Кавказа мало. Имеющиеся работы не дают представления о видовом составе, экологии и биологии сирфид. Такое положение неудовлетворительно потому, что фауна сирфид представляет исключительный интерес, прежде всего вследствие видового многообразия, мозаичности размещения по территории, и сложности 17 составляющих ее элементов. Большинство работ по мухам-журчалкам до настоящего времени было посвящено описанию новых для науки видов и переописанию ранее известных. Стрекозы служат модельным объектом для разнообразных биологических исследований. При работе с ними были получены многие интересные результаты в области экологии и физиологии животных, этологии, зоогеографии и целого ряда других научных дисциплин. Данные о составе и распределении комплексов видов стрекоз и их личинок служат важным источником информации при биоиндикации качества природных вод и являются модельными объектами организации фонового мониторинга экосистем. Следует отметить и роль стрекоз как носителей уникального генофонда, что побудило взять под охрану редкие виды этих животных и включить их в международную и многие региональные Красные книги. Все эти причины объясняют повышенный интерес к стрекозам многих специалистов и в настоящее время с одонатологией связано более 700 исследователей более чем из 70 стран мира со своей организацией (Международное общество одонатологов - The Societas Internationalis Odonatologica) (Кетенчиев, Харитонов, 1998). По имагинальной фазе существует ряд работ фаунистического, зоогеографического, эколого-биологического планов (Белышев, Харитонов, 1981; Белышев и др., 1989), и монографии по отдельным вопросам, а по личиночной - имеются только разрозненные и часто противоречивые сведения. Поэтому, исследование личинок представляет определенный интерес в плане познания раннего онтогенеза стрекоз, в уточнении систематики отдельных таксонов группы животных. Немаловажным является и то, что личиночная фаза представляет удобный объект для многих эколого-биологических исследований, одним из которых является выявление биоиндикаторной роли личинок и использование их в экологическом мониторинге гидробиоценозов. Актуальность и острота проблем, свойственных горным регионам, возрастает во всем мире. Об этом свидетельствует состоявшаяся (сентябрь, 18 2004 год) V Международная конференция во Владикавказе, посвященная устойчивому развитию горных территорий после Международного года гор, которым был объявлен 2002-й. В этом представительном форуме принимало участие большое число ученых ближнего и дальнего зарубежья, представляющих ЮНЕСКО. На нем была отмечена важность проведения комплексных исследований в горных условиях по разным научным направлениям, в том числе и по растительному миру. Для разработки научных основ охраны, воспроизводства и рационального использования необходимо глубокое изучение выявленных видов. В силу этого становится весьма актуальной задача изучения эколого-физиологических особенностей лишайников как индикаторов их жизнедеятельности. В этой связи велось их изучение в разных условиях горной системы Центральной части Северного Кавказа на примере особо охраняемых ее территорий. На третьем этапе нами был проведен: мониторинг биоразнообразия равнинных, предгорных и горных зон на основе выделенных модельных групп растительных и животных организмов; мониторинг антофильных комплексов и сообщество сирфид в высотно-поясном аспекте; анализ лихенофлоры, ее зоогеографическую и географическую структуру. Были выявлены факторы среды антропогенной нагрузки, влияющие на динамику личиночного населения модельного водоема и определить виды биоиндикаторы; определены виды доминанты во флористический определены всех список некоторые ландшафтно-биотопических лихенофлоры особо физиологические зонах; охраняемых показатели составлен территорий; лишайников, определяющие приспособление к высотным зонам и биомониторинг экосистем; 19 2 ГЕНОМНЫЙ АНАЛИЗ ЭНДЕМИЧНЫХ И КУЛЬТУРНЫХ ВИДОВ, ОЦЕНКА АДАПТИВНОГО ПОТЕНЦИАЛА Знание системы генетического контроля количественных признаков крайне важно для селекционеров, занимающихся созданием новых сортов или самоопыляющихся линий. В зависимости от характера действия и взаимодействия генов, контролирующих развитие признака, определяется и методика отбора по этому признаку в процессе выведения новых форм. Мерные, или количественные признаки имеют сложную наследственную основу, проявляющуюся в непрерывной фенотипической изменчивости в расщепляющихся гибридных потомствах. Они в значительной степени подвержены модифицирующему действию внешней среды. Первые генетические исследования количественных признаков относятся к началу XX века. Работами Нильсен-Эле и Иста была предложена концепция множественных факторов, согласно которой количественные признаки контролируются большим числом генов. На активность генов и характер их взаимодействия влияют взаимодействие ядра цитоплазмы (Палилова, Гаврилов, 1978), а также действие факторов среды обитания гибридных организмов (Хотылева, Тарутина, 1982). В ранних генетических работах большое внимание уделялось разработке статистических моделей для определения числа неаллельных генов (Фишер, 1918, 1958; Серебряковский, 1970). Однако методика определения числа генов, контролирующих количественные различия между родительскими формами, оказалась применимой только в тех случаях, когда аддитивные эффекты родительских признаков, преобладали над эпистатическими. J. Luch (1943) предложил интеграционный показатель генотипической оценки признаков – генетический коэффициент или коэффициент наследуемости. Позже были созданы более сложные модели диаллельного анализа, используемые для оценки эффектов генов, направления доминирования (Hayman, 1954; Jinks, 1955), а также определения общей и 20 специфической комбинационной способности родительских форм и оценки аддитивной наследуемости (Griffing, 1956). Предложены методы генерационного анализа (Mather, 1949, 1967; Hayman, 1960; Мазер, Джинкс, 1985) позволяющие выделять разные эффекты генов. Длина и диаметр початка являются одними из важнейших количественных признаков элементов структуры урожая кукурузы, хотя связь между ними не всегда и недостаточно тесная. По длине початка H. Robinsen, R. Comstock, P. Harvey (1952), A. Ordas, R. Stucker (1977) нашли относительно низкую генотипическую и фенотипическую корреляцию длины початка с высотой растений и урожаем зерна. По этой же причине Herman CortesMendoza, A. Hallauer (1979) считают, что отбор по длине початка неэффективен для увеличения урожая зерна. Различные гибриды формируют урожай за счет разного сочетания элементов его структуры, и высокого урожая нельзя достичь за счет одного или нескольких отдельных компонентов. У одного и того же гибрида, выращенного в разных зонах, отмечено варьирование структуры урожая. Тем не менее при определенных условиях выращивания урожайность самоопыленных линий кукурузы и их гибридов в значительной мере определяется линейными размерами початков, их длиной (Jenkins, 1929; Keller, 1942; Мусийко, Трофимов, 1965; Зозуля, 1978; Котова и др., 1976). Высокая положительная корреляция наблюдается между длиной початка и высотой растений, продолжительностью вегетационного периода (Kempton, 1924; Томов, Славов, 1973). По данным И.Ф. Шахова (1975), линейные размеры початка, число зерен в ряду, число зерен на початке не альтернативны, а поэтому их можно и нужно при селекции новых линий сочетать в максимальном выражении каждого. Это необходимо и потому, что длина початка гибридов тесно связана с длиной початка родительских форм (NillsonLeissner, 1927; Jenkins, 1929; Johnson, Hayes, 1936;Сата, Hallauer, 1977). 21 Путем возвратных скрещиваний с параллельным проведением рекуррентного отбора по признаку «длина початка» J. Geadelmann, R. Peterson (1976). Э.Р. Забирова, В.С. Щербак (1984) создали ряд модифицированных линий кукурузы с более длинным початком. Оказалось, что полученные линии обладают и более высокой общей комбинационной способностью по урожаю зерна. Этим самым они подтвердили более общий вывод W. Ruhn, R. Stucker (1976) о том, что гибриды, полученные от скрещивания улучшенных по компонентам урожайности линий более продуктивны, чем гибриды, полученные от скрещивания их нормальных аналогов. Неудивительно поэтому, что селекционеры в своей работе постоянно уделяют большое внимание улучшению компонентов продуктивности, в том числе и длине початка. Работ, посвященных изучению генетического контроля признака «длина початка» у кукурузы, довольно много. В них показано, что сверхдоминирование играет главную роль в контроле длины початка, тогда как аддитивные эффекты были несущественны (Krolikowcki, 1972, 19744; Dhillan, Singh, 1973; Турбина и др., 1974; Завертайло и др., 1984; Томова, 1984; Pal et al., 1986). подтверждая преимущественную роль доминирования в контроле этого признака, некоторые исследователи отмечают также определенный вклад генов, проявляющих аддитивное действие (Robinson et al., 1948, 1949; Daniel, 1965; Киряков и др. 1967; Singh et al, 1977; Ivanovic, 1979; Христов и др., 1983; Hansen et al., 1997). Более того, другие ученые пришли к заключению, что влияние аддитивных генов на развитие признака «длина початка» более существенно, чем влияние доминантных и эпистатических эффектов (Garden et al., 1959; Robinson et al., 1955; Eberhart et al., 1966; Пакудин, 1977; Sanghi et al., 1982; Фесенко, 1984; Чалык, 1986). Ho-Van-Chuong, S. Hosokawa (1975) изучали систему генетического контроля длины початка при скрещивании только родственных или неродственных линий. При скрещивании родственных линий чаще проявляется аддитивный эффект генов в контроле признака, тогда как при скрещивании неродственных линий – эффект доминирования. В некоторых работах 22 отмечается влияние эпистатических генных эффектов на проявление признака «длина початка» гибридов (Gorsline, 1961; 1973). При создании новых линий в прогрессе самоопыления депрессия сильнее всего затрагивает признаки «длина початка» (Черномыз, 1975). По другим данным (Burton et al., 1978) инбредная депрессия по длине початка наблюдалась в 50 % случаев. При скрещивании самоопыленных линий Л.А. Тарутина, Л.М. Полонецкая, И.Б. Капуста (1977) наблюдали наивысший гетерозис в развитии признака «длина початка». Высокий гетерозис по длине початка был отмечен и в опытах Г.И. Веденеева (1995). Так, средняя длина початка у родительских самоопыленных линий в 1982 г. составляла 12,4 см, а у их гибридов – 15,5 см. В 1983 году эти показатели соответственно равнялись 12,9 и 15,0 см. В меньшей степени развивается сам признак и проявляется гетерозис в его развитии при выращивании растений в условиях загущения. При высокой плотности посева у гибридов некоторых линий гетерозис по длине початка или совсем не проявлялся (Со 125) или был даже негативным (см 7), хотя при разреженном посеве средние значения признака «длина початка» у гибридов были выше, чем значение этого признака у повторяющейся родительской формы. Длина початка у гибридов кукурузы F1 в значительной мере определяется также и уровнем этого признака у родительских форм. Так, коэффициенты корреляции между длиной початка у родительских форм и длиной початка у их гибридов F2 были положительными и существенными 2.1 Биологические особенности эндемичных видов растений Adonis vernalis L. Ботаническая характеристика. Многолетнее травянистое растение до 40 см высотой. Растет на лугах, залежах, каменистых склонах. Корневище толстое, короткое с длинными черно-бурыми шнуровидными мочковидными корнями. Стебли прямостоячие, простые или ветвистые, при основании с бурыми чешуями. Листья сидячие, до основания пальчато-раздельные, дольки листьев 23 линейные, цельнокрайние. Цветки желтые. Чашелистики яйцевидные, тупые, зеленые, тонкоопушенные. Лепестки цветков продолговато-эллиптические, к верхушке несколько суженные и неровно зазубренные. Плоды – овальные орешки. Семена сетчато-морщинистые, опушенные с коротким согнутым носиком. Цветет в марте – апреле. Плоды созревают до августа. В КБР отмечено 19 местонахождений A. vernalis.. Вид в природных условиях размножается только семенным путем. Показано, что основной вклад в семенное размножение A. vernalis вносят средневозрастные генеративные особи (g2), составляющие эффективную численность популяций. Установлено, что к популяциям с низкой общей численностью относятся Av3, Av6, Av7, Av8, Avl1O (от 39 в Av7 до 184 особей в Av6), а к популяциям с высокой общей численностью – Av1, Av2, Av4, Av5, Av9 (от 248 в Av2 до 562 особей в Avl). Показано, что в изученных популяциях A. vernalis с низкой общей численностью эффективная численность варьировала от 8 (Av7) до 65 особей (Av8), а в популяциях с высокой общей численностью эффективная численность изменялась от 67 (Av2) до 194 (Av9) особей. Популяции Av3 , Av6, Av7 и Av1O находятся под антропогенным воздействием сильной степени, популяции Av, Av2, Av5 и Av8 -средней, a Av4 и Av9 - слабой степени. Digitalis grandiflora Mill. Ботаническая высотой 40-125 характеристика. см. Корневище Многолетнее короткое, травянистое простое. Стебли растение прямые, слабоветвистые, мягковолнистые, гранистые. Листья очередные, продолговатоэллиптические или яйцевидно-ланцетовидные, мелко пильчато-зубчатые, длиной 5-30 см, шириной 2,0-6,5 см. Нижние листья у основания сужены в короткий черешок, верхние - полустеблеобъемлющие, сидячие, по центральной жилке - железисто-опушенные. Цветки собраны в одностороннюю многоцветковую кисть, поникшие. Плоды - яйцевидные, железистоопушенные коробочки 8-14 мм длины. Семена четырехграннопризматические, 0,8-1,2 мм длины, овальные, мелкоячеистые. Цветет в июне - июле, плоды созревают в августе. 24 D. grandiflora на территории КБР встречается, в основном, - в Баксанском районе, где и отмечено 12 местонахождений этого вида. Общая численность изученных популяций D. grandiflora варьировала от 56 (Dg3) до 487 особей (Dg1), а эффективная - от 40 до 304 особей соответственно. Для вида характерен комбинированный (семенной и вегетативный) способ размножения. При анализе показателей семенной продуктивности особей D. grandiflora разных возрастных групп генеративного периода было отмечено, что у средневозрастных особей показатели выше, чем у особей остальных групп. Эффективная численность у данного вида представлена особями g2 и g3. Изученные популяции D. grandiflora находятся под антропогенным воздействием сильной (Dg3), средней (Dg1, Dg2, Dg4) и слабой степени (Dg5). Таким образом, избранные для изучения двух редких реликтовых видов представленных в Кабардино-Балкарии, характеризуются небольшим числом популяций с низкой численностью. A. vernalis размножаются только семенным путем. Для D. grandiflora характерен комбинированный (и семенной и вегетативный) способ размножения. Эффективная численность популяций выявлена благодаря изучению участия в семенном размножении особей разных возрастных групп генеративного периода. Самые низкие значения данного показателя характерны для вида A. vernalis (восемь особей у A. vernalis). 2.2 Анализ генофондов эндемичных видов растений на основании оценок полиморфизма В качестве основных объектов исследований избраны 2 реликтовых редких вида растений, распространенных в Кабардино-Балкарской республике: адонис весенний Adonis vernalis L. из семейства Ranunculaceae, наперстянка крупноцветковая Digitalis grandiflora Mill, из семейства Scrophulariaceae (Новикова и др., 1996). Эти виды являются эндемиками и реликтами. Проведены комплексные исследования 27-ми природных популяций (82 выборки) редких видов растений. Для изучения генетического разнообразия A. vernalis из разных 25 частей окрестностей пос. Былым избраны 10 популяций, в том числе самая северная популяция Av2, расположенная на г. Кызыл-Ыстын в Эльбрусском районе. На территории Баксанского района находятся 4 популяции: Avl, Av3, Av4 и Av10, в Чегемском районе - одна (Av7). Южная группа представлена популяциями Баксанского района: Av5, Av6, Av8 и Av9. Для изучения динамики численности и генетического разнообразия D. grandiflora были избраны 5 популяций в разных районах Кабардино-Балкарии: первая (Dg1) расположена в Чегемском районе, вторая (Dg2) –на г. Кызыл-Ыстын Эльбрусского района, 3 популяции (Dg3, Dg4, Dg5) - в Баксанском районе. Полевые исследования проводились с использованием традиционных методов, применяемых в ботанике, молекулярной и популяционной генетике. Анализ молекулярно-генетического полиморфизма ДНК, включая основные его стадии, проведен в молекулярно-генетической лаборатории КБГУ с использованием ISSR- (Inter Simple Sequence Repeats, Zietkiewicz et al., 1994) и IRAP- (Inter-Retrotransposon Amplified Polymorphism, Kalendar et al., 1999) методов с применением полимеразной цепной реакции (ПЦР). В изученных популяциях A. vernalis выявлено 109 амплифицированных ISSR-фрагментов ДНК, из которых 100 были полиморфными. Число амплифицированных фрагментов ДНК в общей выборке растений варьировало в зависимости от праймера от 19 (М9) до 29 (M12). В среднем при ISSR-анализе у A. vernalis один праймер инициировал синтез 22-х фрагментов ДНК. Число полиморфных ISSR-фрагментов A. vernalis варьировало от 16 до 29, а их размеры - от 210 до 1900 пн (рис. 1), Доля полиморфных локусов в общей выборке в среднем (при P95) составила 91.74%. В популяциях данный показатель варьировал от 34.86% в Av2 до 62.39% в Av6. Ожидаемая гетерозиготность A. vernalis по локусам (HE) равна 0.290. Самое высокое значение этого показателя в Av9 (HE =0.245), а самое низкое - в Av7 (HE =0.113). Абсолютное число аллелей на локус (в нашем случае на фрагмент ДНК) на общую выборку (na) составило 1.973, а эффективное число аллелей на локус (ne) — 1.499. Число редких аллелей 26 (фрагментов ДНК с частотой <=0.05) варьировало по популяциям от 0 (Av4, Avl, Av1O) до 8 (Av6). Рис. 1. Генетическая карта, ISSR-спектр популяции A.vernalis (Av1) с праймером Ml: цифрами обозначены номера проб, М - маркер молекулярного веса, стрелками указаны некоторые полиморфные фрагменты ДНК; представлена часть спектра. Генетическая структура изученных популяций A. vernalis характеризуется тем, что ожидаемая доля гетерозиготных генотипов в общей популяции выше (HT=0.301), чем в субпопуляциях (Hs =0.181). Коэффициент подразделенности популяций (GST) показывает, что на межпопуляционную компоненту генетического разнообразия A. vernalis приходится 39.90% разнообразия. Наименьшее генетическое расстояние между популяциями A. vernalis отмечено между Av7 и Av1O и (D=0.015), а наиболее генетически удаленными являются популяции Av4 и Av7 (D=0.441), Av4 и Av3(D=0,430) и Av4 и Av1O (D = 0.424). Среднее значение индексов разнообразия Шеннона (Ho) в изученных популяциях A. vernalis, рассчитанные по ISSR-праймерам, составило 0.274. Высоки эти показатели в Av9 (0.363) и в Av5 (0.361). Индекс разнообразия Шеннона, рассчитанный на общую популяцию A. vernalis, равен 0.462. На долю 27 внутрипопуляционного генетического разнообразия A. vernalis приходится 59.58%. а на долю межпопуляционного - 40.42%. Итак, оба подхода к определению генетического разнообразия, то есть определение показателя подразделенности популяций (GST) и коэффициента разнообразия Шеннона (Ho) у A. vernalis дали близкие результаты. Таким образом, самые высокие показатели генетического разнообразия отмечены в популяциях (Av4, Av5, Av9). Необходимо сохранение как генетически уникальной Av2, в которой отмечены семь редких аллелей. У A. vernalis большая часть генетической изменчивости (по данным G статистики) является внутрипопуляционной (60.10%), на межпопуляционную изменчивость приходится 39.90% генетического разнообразия. Среди изученных популяций A. vernalis деградация генофонда отмечена в Av7 (P95=36.70%; НE =0.113; ne =1.181; R =0) и в Av1O (P95=35.27%; НE =0.119; ne =1.193;R =0), а тенденция к обеднению генофонда - в Av2 (P95=34.86%; НE =0.122; ne =1.199;R=7). При ISSR-анализе структурных элементов генома D. grandiflora выявлено 111 амплифицированных фрагмента ДНК, из которых 90 были полиморфными (P95 =81.08%). Число ампликонов в общей выборке растений варьировало в зависимости от праймера от 15 (Х10) до 24 (М9), а их размеры - от 200 до 2200 пн. В среднем, при ISSR-анализе D. grandiflora один праймер инициировал синтез 22.2 фрагментов ДНК. Число полиморфных фрагментов в общей выборке варьировало от 14 до 22. Доля полиморфных локусов и в Dg1 и в Dg2 составила 66.36%, а в Dg3 - 50.45%. Ожидаемая гетерозиготность D. grandiflora равна 0.237. Данный показатель выше в Dg1 (НE =0.207). Абсолютное число аллелей на локус (na) на общую выборку D. grandiflora равно 1.991, а эффективное число аллелей на локус (ne )-1.394. Абсолютное число аллелей на локус ниже в Dg1 (na =4.649), а эффективное число аллелей на локус ниже в Dg2 (ne =1.280). Число редких аллелей у D. grandiflora выше, чем у других изученных видов и равно 18. Наименьшее их число отмечено в Dg1 (R =3), а наибольшее - в Dg3 (R =17). 28 Анализ генетической структуры популяций показал, что ожидаемая доля гетерозиготных генотипов на подразделенную популяцию D. grandiflora (H T) равна 0.261, а в субпопуляциях (Hs) - 0.190. Показатель генетической подразделенности популяций (GST) D. grandiflora равен 0.272. Таким образом, на межпопуляционную изменчивость у данного вида приходится 27.22% генетического разнообразия. Среднее значение индексов разнообразия Шеннона (Ho) в изученных популяциях D. grandiflora, рассчитанные по ISSRпраймерам, составило 0.292. Кластерный анализ показал, что Dg2 генетически ближе к Dg3 (D =0.076). Dg1 находится на большем генетическом расстоянии от Dg2 (D =0.269) и Dg3 (D =0.329). Среди изученных популяций D. grandiflora тенденция к обеднению генофонда отмечена в Dg3 (P95 =50.45%; НE =0.181; ne =1.281). Таким образом, ISSR-маркеры позволяют получить ценные сведения о генетическом полиморфизме микросателлитными участков повторами, генома, определить фланкированных основные параметры генетического разнообразия и дифференциации популяций, на основании которых установить основные характеристики генофондов редких и исчезающих видов растений. 2.3 Молекулярно-генетическая паспортизация редких видов растений Методика молекулярно-генетической паспортизации на основе ISSR- и IRAP-маркеров имеет высокую разрешающую способность, дает стабильно воспроизводимые результаты, характеризуется высоким уровнем стандартизации, как набора маркеров, так и техники выполнения анализа. Именно использование IRAP- вместе с ISSR-маркерами позволило нам провести паспортизацию гетерогенных природных популяций редких реликтовых видов растений. Разработанная методика молекулярно-генетической паспортизации популяций редких реликтовых видов растений предлагается в качестве 29 ключевого звена технологии идентификации генофондов редких и исчезающих видов растений, которая позволит установить уровень и состав генетического разнообразия на популяционном уровне, выявить популяции с типичными и специфическими характеристиками генофондов, рекомендовать научно обоснованные меры их сохранения, то есть оптимизировать процедуру сохранения генофондов наиболее уязвимых в растительных сообществах редких и исчезающих видов растений. Эта технология является одним из подходов оптимизации сохранения генетической компоненты биоразнообразия растительных сообществ. Методика молекулярно-генетической паспортизации редких и нуждающихся в охране видов растений разработана нами на примере природных популяций вида A. vernalis. Она включает в себя семь этапов: 1 выбор эффективных стабильных молекулярных маркеров, 2 - сбор материала, 3 - подбор эффективных праймеров и проведение молекулярно-генетического анализа с использованием ПЦР, 4 - анализ выявленных ISSR- и IRAP-маркеров и определение идентификационных (мономорфных и полиморфных), а также составление молекулярно-генетической формулы (5 этап), штрих-кода (6 этап) и генетического паспорта (7 этап). На первом этапе разработки методики была решена задача выбора эффективных стабильных молекулярных маркеров, позволяющих выявить высокий уровень полиморфизма ДНК, анализировать большую часть генома растений, получить четко воспроизводимые результаты на основании анализа данных молекулярно-генетических исследований вида A. vernalis, проведенных нами ранее. Всем этим требованиям отвечают ISSR- и IRAP-маркеры. На втором этапе паспортизации в природных популяциях вида A. vernalis собраны фрагменты листьев, из которых выделена ДНК. На третьем этапе были отобраны наиболее информативные четыре ISSRи пять IRAP-праймеров, с помощью которых выявлены ISSR- и IRAP-маркеры у вида A. vernalis. Проведен ПЦР анализ выделенных проб ДНК. 30 На четвертом этапе для вида A. vernalis выявлены 10 ISSR- и 17 IRAPмономорфных фрагментов и 9 ISSR- и 21 IRAP- полиморфных фрагментов ДНК. Четко воспроизводимые при амплификации у особей одного рода фрагменты ДНК названы нами «родовыми», а у особей одного вида «видовыми». На пятом этане маркеры ДНК, избранные для паспортизации, представили в виде молекулярно-генетической формулы. На шестом этапе паспортизации предложена запись молекулярно- генетической формулы в виде штрих-кода. Родовые фрагменты предлагается обозначить толстой линией, видовые линией средней толщины, а полиморфные фрагменты - тонкой линией. Для штрих-кода предлагается использовать от 10 до 12 штрихов, из которых четыре характерны для рода, четыре - для вида, а от одного до четырех - для популяции. Фрагменты ДНК в штрих-коде располагаются в зависимости от их длины от большего к меньшему. На седьмом рекомендуется этапе составление молекулярно-генетической генетического паспорта паспортизации популяции. Нами разработана форма генетического паспорта популяции редкого вида растений, избраны общепринятые показатели состояния популяций и генетического разнообразия. Проведено проращивание семян D. grandiflora; из проростков выделена ДНК. После проведения ПЦР-анализа с использованием ISSR- и 1RAPпраймеров выявлены четко воспроизводимые 11 мономорфных и 12 полиморфных фрагментов ДНК. Мономорфные фрагменты ДНК D. grandiflora обозначены первыми тремя буквами латинского названия рода - DIG (например, DIGr460 M1). Мономорфные фрагменты ДНК, характерные для вида, обозначены как Dgv520X9, а полиморфные – Dg p650 IR55. Основная характеристика молекулярного маркера - его длина указана большими буквами после указания типа фрагмента – Dpv750 M12. В молекулярно-генетической формуле приведены тип и номер праймера нижним 31 индексом. Например, Dgp810 IR58 амплифицирован IRAP-методом посредством праймера под номером 2158. При ISSR-анализе праймер можно записать в виде короткой формулы, например, Dgp1210(AGC)6C. Для составления молекулярногенетической формулы популяций видов рода Digitalis в соответствии с методикой отобрано традиционно по 4 родовых и по 4 видовых идентификационных фрагментов ДНК; а также от 1-го до 4-х полиморфных фрагментов ДНК, сочетания которых специфичны для исследуемых популяций. Для генетической паспортизации популяций использованы от 10-ти до 12-ти молекулярных маркеров. Проведена молекулярно-генетическая паспортизация трех природных популяций редкого реликтового вида D. grandiflora. Запись молекулярно-генетической формулы популяции Dg2, к примеру, такова: DIGr1260X9; DIGr640IR97; DlGr550X10; DIGr460M1; Dgv1020 X9; Dgv1000 IR01; Dgv950 X10; Dgv520 X9; Dgpl 110 M9; Dgp810 IR58; Dgp650 IR55; Dgp260 IR59. 2.4 Генетический контроль количественных признаков кукурузы Посевы изучаемых гибридов проведены в ботаническом саду КБГУ. Агротехника, применяемая на опытном участке, соответствовала общепринятой. Во время вегетации проводили ряд промеров: высота растений, уровень прикрепления верхнего початка, площади листовой поверхности. Убирали все початки в фазу полной спелости. Учитывали верхние и нижние початки, массу зерна с початка, а затем урожай зерна. Все данные подвергали статистической обработке. Обработку цифрового материала по генетическому анализу некоторых количественных признаков линий кукурузы проводили по методу Хеймана, при котором мы оценивали следующие статистические параметры: Vp – варианса родительских линий; Vr – варианса гибридов родительского ряда; Vr – варианса средних потомств каждой родительской линии; Wr – варианса между гибридами r–го ряда и соответствующими им родительскими и ее среднее значение; 32 Wr, F1-p – средняя гибридов минус средняя родительских линий; Полученные значения варианс и коварианс используют для определения коэффициента регрессии по повторностям и объединенного коэффициента регрессии. Оценки генетических параметров удобнее получить из уравнений: D=Vp – E; H1=4Vr + Vp – 4Wr – 3p – 2/ p*E; H2=4Vr – 4Vr – 2 (p2 – 1)/p2*E; H2=4(F1 – χrr)2 – 4(p – 1)/p2*E; F=2Vp – 4Wr – 2 (p – 2)/ p2*E; D – аддитивный эффект; E – средняя варианса; h2 – алгебраическая сумма доминантных генов; H1 и H2 – положительные эффекты генов; F – компонент, отражающий направление доминирования Достоверность некоторых из этих генетических компонентов может быть определена с помощью дисперсионного анализа диаллельной таблицы 1 Таблица 1. Дисперсионный анализ половины диаллельной таблицы компонент сумма квадратов (SS) степени свободы (df) a 1/p+2Σ[(Xr+Xrr)] – Σ(Xr+Xrr)/p] p–1 b1 [2x – (p+1)X]2/p(p2 – 1) 1 b2 1/p24 Σ[(2Xr+pXrr) – Σ(2Xr+pXrr)/p]2 p–1 b3 SSобщ – SSb1 – SSb2 [df(общ) – 2p+1] общая Σ[Xrs – X../1/2p(p+1)]2 1/2p(p+1) – 1 вариации Отношение H1/D определяет среднюю степень доминирования; а корень квадратный из H1/D является мерой средней степени доминирования в каждом 33 локусе. Отношение H1/D является мерой средней величины у локусов, проявляющих доминирование. Знак параметра F указывает на относительную частоту распределения доминантных и рецессивных аллелей у родительских сортов. Величина h2/H2 указывает на число генов или групп генов, которые при контролировании признака проявляют эффекты доминирования. Если 1/2F/√D(H1 – H2)=1, доминирование одинаково во всех локусах. Если все требования метода выполняются, то для диаллельной таблицы с определенным значением H1/D на графике регрессии Wr на Vr точки (Wr, Vr)должны лежать на прямой, имеющей единичный наклон и располагаются внутри ограничивающей параболы Wr=Vr* Vp. Координаты точек, определяющие линию регрессии относительно оси Wr, указывают на среднюю степень доминирования в экспериментальном материале. При частичном доминировании (H1/D<1)линия регрессии пересекает положительную часть оси Wr, а при положительном доминировании (H1/D=1) проходит через начало координат (0,0). При отсутствии доминирования, когда F=0 и H1=0, значения Wr=1/2p и Vr=1/4D. В этом случае все точки на графике Wr/Vr совпадут. Материалом исследования служили константные самоопыленные линии коллекции кафедры общей генетики и селекции КБГУ, полученные с использованием химических мутагенов НЭМ и НММ в концентрациях 0,01 и 0,025. Для генетического анализа отобрали следующие линии: 2,4,6,8,12,14,17,23,28,30. В таблице 2 дается характеристика 10 линий, которые были использованы в нашей работе. Одним из важных показателей при выведении новых самоопыленных линий и гибридов кукурузы являются количественные признаки элементов продуктивности, прикрепления которые верхнего определяются початка, высотой количеством растений, початков на высотой растении, количеством зерен с растения, урожаем зерна и др. Знание системы 34 генетического контроля количественных признаков крайне важно для селекционеров и генетиков, занимающихся созданием новых самоопыленных линий и гибридов кукурузы. Эффективность различных селекционных программ во многом зависит от правильного подбора родительских пар, особенно на первых этапах селекции. Рядом исследователей установлено, что свойство комбинационной способности, присущее всем генотипам, вовлекаемым в скрещивание, по каждому количественному признаку проявляется в разной степени. У одного и того же генотипа комбинационная способность по одним признакам может оказаться высокой, по другим - средней, по третьим - низкой, у других генотипов наоборот. И чаще всего выясняется, что ни один из оцениваемых генотипов не представляет собой хорошего сочетания всех признаков Исследователи признают, что оценка комбинационной способности по каждому признаку отдельно остается наиболее надежным и способна охарактеризовать родительские формы как компоненты скрещивания. Таблица 2 Характеристика мутантных самоопыленных линий кукурузы селекции КБГУ Линии Обработка Вегетац. Кол-во Масса Высота мутаг. период початков на початка с растений, растении растения, г см (конц.%) 2 НЭМ-0,01 125-130 1,6 75-96 195-195 4 НЭМ-0,025 128-135 2,2 81-85 200-210 6 НММ-0,025 130-145 1,9 82-85 100-108 8 НЭМ-0,01 125-130 1,9 77-85 130-135 12 НЭМ-0,01 125-130 1,8 77-85 190-198 14 НММ-0,01 123-128 1,8 85-90 208-212 17 НЭМ-0,01 128-130 1,9 86-88 203-208 23 НЭМ-0,025 130-140 2,0 76-79 180-185 35 28 НЭМ-0,025 128-130 1,8 78-82 205-210 30 НЭМ-0,025 128-130 2,1 85-90 185-192 Было проведено изучение общей и специфической комбинационной способности многопочатковых самоопыленных линий в системе диаллельных скрещиваний по двум показателям: среднему числу початков на главном стебле и урожаю зерна. Исходя из результатов, приведенных в таблице 3, можно считать, что по среднему числу початков лучшими по показателям эффектов ОКС в 2005 году лучшими по показателям эффектов ОКС оказались линии 4,6,14,23,28 и 30. Эффекты ОКС оказались высокими, соответственно равны: q2=0,0800; q3=0,0550; q6=0,0700; q8=0,0800; q9=0,0050; q10=0,1550 и достоверно отличаются по этому признаку от остальных линий. Самый высокий показатель варианс СКС в том же году отмечали у линий 4,17,23,28,30 (2s2=0,0243; 2s7=0,0278; 2s8=0,0334; 2s9=0,0325; 2s10=0,0579). По урожаю зерна хорошими показателями эффектов ОКС обладают линии 12,17,23,28,30, а самые высокие показатели эффектов ОКС оказались у линий 17,28,30. Таблица 3 Оценки эффектов общей (q) и варианс общей ( si) по числу початков на одном растении и урожаю зерна Линии Число початков на одном Урожай зерна растении qi 2 si qi 2 si 2 -0,1825 0,0182 -5,9050 7,4777 4 0,0800 0,0242 -3,6550 6,6358 6 0,0550 0,0164 -2,4800 1,5619 8 -0,0075 0,0133 -3,1175 5,1248 36 12 -0,0825 0,0160 1,2700 9,5939 14 0,0700 0,0237 -0,9550 6,4404 17 -0,0325 0,0278 4,2700 5,7399 23 0,0800 0,0334 0,7970 3,8116 28 0,0050 0,0325 5,7325 4,8570 30 0,1550 0,0579 4,0450 10,8861 По признаку «урожай зерна» лучшими по эффектам ОКС были линии 12,17,23,28,30, эффекты ОКС соответственно равны q5=1,2700; q7=4,2700; q8=0,7970; q9=5,7325; q10=4,0450, к тому же линии 12 и 30 имеют высокие показатели СКС - 2S5=9,5939 и 2S10=10,8861. Следовательно, лучшие по урожайности линии имели и самые высокие эффекты общей комбинационной способности, независимого от года эксперимента. После оценки комбинационной способности был проведен нами генетический анализ трем хозяйственно-ценным признакам. Высота растений - один из наиболее важных морфологических признаков. Она служит важным показателем при подборе родительских пар на участках гибридизации. Генетический контроль развития признака «высота растений» изучался многими исследователями, но полученные данные противоречивы. Авторы пришли к заключению, что преимущественную роль в генетическом контроле высоты растений у кукурузы играют доминантные гены, хотя влияние генов, проявляющих аддитивные действия. Степень доминирования разная: не полное, полное, но чаще всего проявляется сверхдоминирование. Как было отмечено выше, в работе использованы средние значения высоты растений гибридов F1, полученные от диаллельного скрещивания 10 линий селекции кафедры общей генетики и селекции КБГУ. Оценка D, измеряющая аддитивные эффекты генов, значительно меньше H1, измеряющего доминантные эффекты (таблица 4). На основании отношения H1/D, показывающего среднюю степень доминирования, можно сделать 37 заключение о том, что при наследовании признака высоты растений преобладает сверхдоминирование. Соотношение 1/2F D(H1 H2 ) значительно отличается от 1. Это показывает, что степень сверхдоминирования неодинакова в разных локусах. Оценки H1 и H2 неравны. Из этого следует, что положительно (доминантные) и отрицательно (рецессивные) определяющие признак аллели распределены между родительскими сортами неравномерно. Асимметричность распределения доминантных и рецессивных аллелей подтверждена отклонением соотношения H2/4H1 от 0,25. В этом случае минусовый знак указывает на превышение числа рецессивных аллелей над доминантными в изучаемом наборе линий. Отношение h2/ H2 равно 7,604, что указывает на то, что, по крайней мере, семь генов или блоке генов при детерминации высоты растений проявляют доминирование. Число початков на одном растении – обусловлена ее генетическим и эволюционным происхождением. Исследователи, изучающие происхождение и эволюцию кукурузы, установили, что растения предковой кукурузы были многостебельные и многопочатковые. Несмотря на важность многопочатковости в повышении зерновой продуктивности и ее стабильности, знания о системе генетического контроля этого признака ограничены. Преимущественное влияние аддитивных генных эффектов, по сравнению с доминированием отмечают ряд исследователей (Христов, Христова, 1978; Павлова, 1987). Другие авторы (Климов, 1986) считают, что способность к многопочатковости обусловлена рецессивными факторами; однопочатковость доминирует. Как видно из результатов, представленных в таблице 4, отношение H1/D оказалось меньше единицы, что указывает на среднюю степень доминирования. Корень квадратный из отношения H1/D оценивает среднюю степень доминирования в каждом локусе. В наших исследованиях он равен 0,9101, что указывает на неполное доминирование. Отношение h2/H2 говорит о том, что, по крайней мере, столько групп доминантных генов контролирует признак «число початков» и они проявляют 38 некоторую степень доминирования. Полученные данные свидетельствуют о том, что значения H1 и H2 неравны, следовательно, доминантные и рецессивные определяющие признак аллели распределены между родительскими линиями асимметрично. Это подтверждается отношением H2/4H1. Эта величина за два года в опытах отличалась от 0,25. Чем больше отличие этой величины от 0,25, тем больше будет выражена асимметрия. Так как знак параметра F меньше нуля, это указывает на то, что у исследуемых линий преобладают рецессивные аллели. Отношение 1/2F/D(H1H2), как видно из данных таблицы, близко к нулю. Что указывает на варьирование уровня доминирования в разных локусах. Урожай зерна - является наиболее сложным количественным признаком. В литературе имеются разные мнения о значении компонентного анализа в интерпретации наследования и генетического контроля этого признака. Таблица 4 Оценки компонентов генетической вариации по некоторым хозяйственно-ценным признакам Генетический Высота Число початков Урожай зерна компонент растений D 43,46 0,0431 28,08 H1 788,19 0,0357 82,49 H2 125,51 0,0174 80,54 F -3,2 -0,0083 -23,66 H1/D 18,02 0,8283 2,90 H1 / D 4,24 0,9101 1,70 h2/H2 7,604 0,18 6,50 ½ F/√D (Н1-Н2) -0,0095 -0,1687 -1,60 39 W. Williams (1960) считает, что следует проводить анализ только отдельных компонентов урожая, это позволяет получать более объективную информацию об изучаемых явлениях и упрощает их генетическое объяснение. Работ, посвященных изучению наследования и генетического контроля урожая зерна у кукурузы довольно много. H. Robinson, R. Comstock, C. Cockerham (1958) получили результаты, предполагающие влияние на урожай аддитивного эффекта генов и частичного или полного доминирования. В опытах сверхдоминирование F.Hull (1946,1948) играло более в большинстве значительную роль в случаев контроле продуктивности, чем не полное доминирование. В исследованиях C. Gardner, J. Lonnquist (1959), J. Grafius (1960) гены, контролирующие урожай, показывают не более, чем полное доминирование, хотя сверхдоминирование возможно в одном или более локусах. Таким образом, в литературе имеются часто противоположные мнения о системе генетического контроля такого сложного количественного признака, как урожай зерна. Оценка D, измеряющая аддитивные эффекты генов, значительно меньше H1, измеряющего доминантные эффекты. Это подтверждают результаты графического анализа о том, что в определении данного признака преобладающую роль играют доминантные эффекты генов. На основании отношения H1/D (H1/D=2,9) можно сделать заключение о том, что при наследовании данного признака у исследуемой группы линий преобладает сверхдоминирование, так как H1>D. Величина H1/D показывает сверхдоминирование в каждом локусе. H2/4H1=0,24 оценивает uv, что согласуется с результатами дисперсионного анализа диаллельных таблиц, а именно H1 незначимо отличается от H2. Из этого следует, что положительно (доминантные) и отрицательно (рецессивные) определяющие признак аллели распределены между родительскими линиями равномерно. Отношение h2/H2 равно 6,50, что 40 указывает на то, что, по крайней мере, столько генов или блока генов проявляют доминирование. 2.5 Определение общей и специфической адаптивной способности, стабильности генотипов и дифференцирующей способности сред Эффективность предлагаемого метода оценивалась испытанием самоопыленных линий кукурузы в двух местах: ботанический сад КБГУ и опытный участок в селении Черная Речка. Определены параметры общей (ОАС) и специфической (САС) адаптивной способности генотипов, их стабильность, установлена дифференцирующая способность сред (ДСС). Выявлены вариансы ОАО и САС в популяции генотипов. Дана селекционная интерпретация генетических параметров. Показано преимущество предлагаемой методики по сравнению с существующими способами оценки стабильности. Проверка эффективности, предлагаемого нами метода оценки адаптивной способности и стабильности генотипов и дифференцирующей способности сред была проведена с использованием полученных данных. Учитывался один признак — длина початка (табл. 5). Дисперсионный анализ (табл. 6), позволил выявить высокую достоверность различий между эффектами генотипов, сред и взаимодействия, что дает возможность перейти к следующему этапу анализа. Допустим, что генотипы и среды являются фиксированными переменными, т. е. полученные данные удовлетворяют модели I. Тогда эффекты генотипов, сред и взаимодействия можно определить по следующим формулам 1 1 1 X .. 13,86; CAC1 v1 X 1.. X .. 2,66; nm m nm 1 1 1 1 1 d1 X .1 X .. 0,65; (vd )11 x11 X 1.. X .1 X .. 1,17 n nm m n nm u Эффекты генотипов и сред, эффекты и вариансы их взаимодействия представлены в табл. 7. 41 Вариансы разности средних значений двух фенотипов var(xik-xnm)=22=2,56. Вариансы эффектов, их сумм и разностей определяются следующим образом: var( u ) 1 2 n 1 2 0,03; var( vi ) 0,19; nm nm var( d k ) m 1 2 nm n m 1 2 0,13; var( vdik ) 0,93; nm nm var( vi vdik ) var( vi vn ) n 1 2 m 1 2 1,12; var( d k vdik ) 1,07; n m 2 2 2 0,43; var( d k d m ) 2 0,32; m n n2 m2 2 var( vdik vdm n ) 1,81; m n 2(n 1) 2 var( vi vdik vn vdm n ) 2,24; n var( d k vdik d m vdm n ) 2(m 1) 2 2,14. m Таблица 5 Усредненные данные по признаку «длина початка» Линия Среда 1 2 4 11,72 6 xi 3 4 9,39 19,32 10,43 12,72 10,95 10,04 18,13 9,99 12,15 8 17,29 10,18 21,12 12,37 15,24 23 5,20 7,56 16,06 8,44 9,32 28 16,45 10,83 23,95 20,12 17,84 30 18,43 9,87 20,19 16,20 16,10 xi 13,34 9,62 19,80 12,92 11,87 42 Таблица 6 Дисперсионный анализ по признаку «длина початка» Источник Степени Средние Модель I варьирования свободы квадраты Fфакт Модель II F05 F01 Fфакт F05 F01 Среды 5 428,17 83,63 2,27 3,14 13,11 2,49 3,60 Образцы 7 178,88 34,94 2,07 2,76 5,48 2,29 3,19 Среды х образцы 35 32,67 6,38 6,38 1,50 1,78 Случайные 144 5,12 777.lnk 1,50 1,78 отклонения Таблица 7 Эффекты генотипов и сред, эффекты и вариансы их взаимодействия Среда Генотип 1 2 3 4 vi 2(GXE)gi 4 1,17 2,43 1,35 0,36 -2,66 4,34 6 -0,44 2,24 -0,68 -0,42 -1,32 1,17 8 2,15 -1,37 -1,44 -1,79 1,93 2,54 23 -3,80 2,15 -0,36 0,42 -4,21 4,48 28 1,75 -0,28 1,83 0,72 1,49 20,17 30 1,09 -3,88 -4,57 -0,16 4,13 12,51 dk -0,65 -4,24 6,77 -1,63 2(GXE)ek 3,52 3,93 4,81 0,03 Параметры адаптивной способности и стабильности генотипов находятся по формулам. 43 (2GXE) П1 (2CAC ) 1 (d 1 nm n m 1 2 (vd )12k 4,84; m 1 k nm 1 m 1 2 (d k vd1k ) 2 ; m 1 k m vd1k ) 2 ( x1k x1. ) 2 ; k k k 2 ( CAC )1 16,91; (CAC ) 4,11; 1 1 2 CAC 1 l g1 2 CAC ' (2GXE ) s g1 sg p 17,00 1,37; 12,33 g1 2 CAC1 CAC 1 u v1 4,84 0,29. 16,91 100% s g1 ... s gn n 100 1,58; 2sg 2 CAC ' 4,11 100% 36,7%; 11,20 31,69; СЦГ1 u v1 p CAC1 11,20 1,58 4,11 4,71; 1 1 (d k ) 2 2 12,33; m 1 k m 1 Общая оценка генотипов по параметрам, определяющим адаптивную способность и стабильность, представлена в таблице 8. Для сравнения приведены параметры стабильности генотипов, определенные по методам Эберхарта, Расселла и Таи. Анализ показывает, что наибольшими эффектами ОАС обладают генотипы 30, 8, 28 и 8. Самыми нестабильными оказались образцы 4,6,23. Не выявлено тесной связи между показателями продуктивности u+vi и стабильности 2САСi (r= 0,375). Характерно, что некоторые генотипы, имеющие низкую вариансу взаимодействия генотипа и среды 2(GXE)gi оказались нестабильными, что свидетельствуют о проявлении дестабилизирующего эффекта. Коэффициент корреляции между 2(GXE)gi и САСi составил 0,794. 44 Коэффициент компенсации Kgi колебался от 0,73 у генотипа 6 до 3,17 у генотипа 28. У большинства генотипов он был выше единицы, что свидетельствует о преобладании эффекта дестабилизации. Таблица 8 Параметры адаптивной способности и стабильности СЦ sgi Парам. Парам. Расселла Таи Kgi Гi САСi u+vi 2САСi lgi 2(GXE)gi vi bi s2di i i 11,20 -2,6 4,84 16,91 4,11 0,29 36,7 4,71 1,37 0,96 7,11 -0,05 5,63 12,04 -1,8 1,17 8,99 3,00 0,13 24,9 7,30 0,73 0,80 1,91 -0,21 1,50 15,79 1,93 2,54 14,55 3,81 0,17 24,1 9,77 1,18 0,95 4,35 -0,05 3,37 9,65 4,48 13,30 3,67 0,33 38,0 3,85 1,09 0,84 6,36 -0,16 4,97 15,35 1,49 20,17 39,07 6,25 0,52 40,7 5,48 3,17 1,21 25,7 0,21 17,99 4,13 12,51 19,28 4,39 0,65 24,4 11,1 1,56 0,76 15,8 -0,25 12,4 -4,2 20,1 Относительная стабильность генотипа sgi варьировала от 3,85 до 11,05%. Коэффициент нелинейности lgi показал, что у большинства генотипов ответы на среду носят линейный характер (0,13—0,65). Судя по величине bi наибольшей отзывчивостью на среду обладают генотипы 4 и 28, наименьшей — генотипы 6 и 23. Окончательный выбор образцов может быть сделан в зависимости от направления селекции. Селекция на специфическую адаптивную способность целесообразна в случае предсказуемости условии среды. В нашем примере целесообразно усреднить данные по годам для двух местностей и отбирать генотипы в каждой из них. Если поставлена задача выделить генотипы, обеспечивающие максимальный средний урожай во всей совокупности сред, тогда критерием отбора будут значения OAСi=vi. Лучшими образцами при отборе на общую адаптивную способность являются генотипы 8,23,28 и 30. Можно заметить, что в группу генотипов с высокой ОАС попал образец 28, отличающийся наименьшей стабильностью. Такой генотип не обеспечит 45 гарантировавшего высокого урожая в любой год испытания. Для одновременного отбора образцов на ОАС и стабильность определена селекционная ценность генотипов (СЦГi). Лучшими генотипами, сочетающими высокую продуктивность со стабильным урожаем, оказались образцы 30, 8 и 6. В отобранную группу попали три генотипа с максимальной ОАС (6,30). Следовательно, несмотря на отсутствие тесной связи между продуктивностью и стабильностью, можно получить образцы с максимальной урожайностью и высокой средовой устойчивостью. Нестабильный генотип 5 переместился с третьего на шестое место, а стабильный генотип 2 с шестого на четвертое. Последнее свидетельствует о том, что отбор по ОАС еще не обеспечивает стабильного генотипа и параметры стабильности необходимо учитывать в селекционных программах. Вопрос об оптимальном сочетании интенсивности отбора по продуктивности и стабильности генотипов требует экспериментальной проверки. Нами проведено сравнение параметров стабильности, определенных по нашему методу и используемым в настоящее время методам Эберхарта, Рассела и Таи. Показано, что варианса взаимодействия генотипа среды 2(GXE)gi дает практически такую же информацию о генотипе, что соответствующие параметры нелинейной реакции на среду s2di и i (коэффициенты корреляции между 2(GXE)gi и s2di, 2(GXE)gi и i составили соответственно 0,996 и 0,996). Варианса 2САСi более тесно связано с показателем нелинейной реакции на среду (коэффициенты корреляции между 2САСi и bi, 2САСi и s2di равны соответственно 0,709 и 0,761). Дополнительной информацией для выявления реакции генотипа на улучшение среды может служить коэффициент регрессии на среду bi. Коэффициент регрессии bi и коэффициент компенсации Kgi дают близкую информацию (коэффициент корреляции между ними —0,711), поскольку этот и другой характеризуют способность генотипа обеспечивать высокое (низкое) значение признака в благоприятных средах и низкое (высокое) - неблагоприятных. 46 Метод позволяет оценить среду как фон для отбора (табл. 9). Таблица 9 Параметры среды как фон для отбора 1 13,21 -0,65 lek 3,52 18,01 4,24 sek Kek Фон ДССk dk 2ДССk u+dk 2(GXE)ek Среда 0,20 32,1 2,84 Анализир ующий 2 9,62 -4,24 3,93 -0,21 0 0 0 Нивелиру ющий 3 20,63 6,77 4,81 6,68 2,58 0,72 12,5 1,05 Стабилиз ирующий 4 12,23 -1,63 0,03 5,80 2,41 0,01 19,7 0,91 Стабилиз ирующий Параметры среды установлены по следующим формулам: (2GXE) e1 1 nm n m 1 2 (vd )i21 3,52; n 1 i nm 2ДСС 18,01; 1 2ДСС 4,24; se1 1 2ДСС ' ДСС 1 u d1 100% 32,1%; 1 n 1 2 (vi ) 2 6,34; n 1 i n (2GXE ) 2ДСС K ek 2 2,84; le1 2 0,20. ДСС ' ДСС ' 1 e1 Максимальную продуктивность генотипы обеспечили в среде 3, минимальную — в среде 2. Наибольшая дифференцирующая способность проявлялась в средах 1. Следует отметить, что среды 1 и 2 близки по вариансе 2(GXE)ek, однако дифференцирующая способность среды 1 велика, а среды 2 практически равны нулю. Этот пример является наглядной иллюстрацией 47 эффекта компенсации/дестабилизации. В среде 2 знаки всех эффектов взаимодействия (vd)ik не совпадают со знаками эффектов генотипов, в результате чего последние полностью компенсируются эффектами взаимодействия. Этот факт подтверждает вывод о том, что 2(GXE)ek ее может служить параметром среды как фона для отбора. Более ценную информацию дает варианса дифференцирующей способности среды 2ДССk. Коэффициент корреляции между 2(GXE)ek и 2ДССk составляет 0,643. Коэффициент нелинейности 1ек сильно варьирует (0,01). Между эффектами сред и их дифференцирующей способностью наблюдалась определенная связь. Наибольший полиморфизм выявлен на средних фонах 1 и 3 (dk0). Здесь же сильнее проявляются эффекты дестабилизации (Кек соответственно равен 2,84; 1,05). Эти среды, согласно Синской, можно считать анализирующими фонами. Среда 2 является никелирующим (фоном, так как отличается неблагоприятными условиями (d2=4,24), минимальным полиморфизмом (2ДСС2=0) и сильным эффектом компенсации (Ke2=0). В среде 4 дифференцирующая способность невелика, а эффекты компенсации и дестабилизации примерно равны. Фон этих сред можно считать стабилизирующим. Таким образом, оптимальный фон (среда 3) не всегда является анализирующим. 48 3 СЕЛЕКЦИЯ САМООПЫЛЯЕМЫХ ЛИНИЙ КУКУРУЗЫ И МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ АДАПТАЦИЙ Исследования ученых во многих кукурузосеющих странах показали, что выведение двух и многопочатковых гибридов кукурузы вполне возможно, или этом необходимо иметь в виду наследственные особенности исходных образцов, а также учитывать условия их выращивания. По мнению П.Ф. Клочко (1987), многопочатковые гибриды могут поддерживать высокую урожайность кукурузы двумя путями: 1 - снижением бесплодия растений при загущении и 2 - компенсацией снижения густоты посева увеличением числа початков на растении. Благодаря этому, двухпочатковые гибриды обеспечивают более высокие и стабильные урожаи зерна в различных условиях выращивания (Джозефсон, 1964; Трифунович, Ристанович, 1979; Томов, Мишев, 1979; Шмараев, 1981, 1986; Клочко, Климов, 1986). В других растениях установлено, что увеличение многопочатковости не всегда сопровождается ростом их продуктивности. Так, W.Russell (1968) наивысший урожай зерна получил при возделывании в благоприятных условиях гибридов кукурузы, полученных путем скрещивания однопочатковых линий с двухпочатковой формой, хотя при высокой густоте стояния наиболее урожайными были гибриды от скрещивания только двухпочатковых линий. Отбор на двухпочатковость в сортах, а также включение в гибридизацию двухпочатковых с высокой комбинационной способностью линий кукурузы повышали пластичность создаваемых форм. Двухпочатковые линии и гибриды в благоприятные по увлажнению годы были продуктивны за счет формирования на растениях вторых и даже третьих початков, а в неблагоприятные - в меньшей степени снижают урожай по сравнению с однопочатковыми. Многопочатковость растений обусловливается их способностью перераспределять урожай сухого вещества зерна между 1-м и 2-м початками (Prior, Russell, 1976). Если поврежден или удален 1-й початок, то урожай зерна 49 формируется за счет 2-го початка и наоборот. У однопочатковых форм вторые початки неспособны формировать существенный урожай при изолировании или удалении 1-го початка. Именно однопочатковые гибриды даже при изреженном посеве могут давать не более одного початка на растение (Джозефсон, 1964; Керефов, Куперман, Керефова, 1969). У двухпочатковых растений первые и вторые початки развиваются синхронно. Если интервал в появлении почек или нитей початков большой, то верхний початок доминирует и подавляет нижний (Harris, Moll, Stuber, 1976; Фесенко, 1980). Число початков в конце концов, определяется величиной интервала и в развитии смежных верхних початков. Результаты исследований, проведенных В. Трифунович, Д. Ристанович (1977) по характеристике урожая гибридов кукурузы и его стабильности также согласуются с данными Ruber, Gordon, Singleton (1960), Collins, Russell, Eberhart (1965), которые установили, что многопочатковые гибриды обладают большей стабильностью урожая при различных густотах стояния, чем однопочатковые гибриды. С увеличением густоты стояния величина урожая уменьшается у одно - и двухпочатковых гибридов. Для гибридов, образующих крупные первые початки, характерна склонность к допаздыванию в образовании второго початка. Условия, благоприятствующие большей его крупности, а также и большему количеству вторых початков. Условия внешней среды определяют крупность и количество вторых початков. Таким образом, вторые початки в значительной степени определяют повышенный урожай у двухпочатковой кукурузы. Испытания урожайности многопочатковых гибридов показали, что адаптивность этих гибридов возникает из их способности формировать более одного початка на растение в благоприятных условиях, и лишь небольшой процент беспочатковых растений при неблагоприятных условиях. Следовательно, при возделывании гибридов этого типа в изменчивых условиях выращивания снижается риск недобора урожая и повышается стабильность урожаев. Некоторые исследования показывают, что многопочатковые формы имеют 50 большие генетические возможности для высокой продуктивности, которая проявляется на большой густоте посева. По другим исследованиям многопочатковые гибриды лучше усваивают влагу и питательные вещества, изза чего, несмотря на большую густоту, растения образуют нормально развитые початки; однопочатковые формы при той же густоте дают бесплодные растения. В посевах кукурузы всегда бывает больше двухпочатковых растений по краям, или по середине, где растения более защищены. По данным П.Ф. Клочко, И.В. Фесенко (1983) у гибридов, формирующих при небольшой густоте по 2,00-2,24 початка на растении, с увеличением плотности посева до 60 тыс./га растения сохраняется значительное количество 1,43-1,70 вторых початков. Двухпочатковые гибриды в этих опытах значительно превысили однопочатковые по урожаю. При небольшой густоте стояния у них за счет 2-х и 3-х початков до 51% в общем, урожае. С увеличением густоты стояния растений до 60 тыс./га урожай снижается. Вместе с тем авторы отмечали, что увеличение многопочатковости гибридов не всегда сопровождается ростом их урожайности. Урожай зерна - комплексный показатель, зависящий от количества початков на единице площади их крупности. У однопочатковых гибридов продуктивность растений составляет масса зерна с верхних початков, тогда как у двухпочатковых - с верхних и нижних. Масса зерна верхних початков двухпочатковых гибридов меньше массы зерна верхних початков однопочатковых при условиях испытания. Несмотря на сельскохозяйственном важность использования производстве, создание двухпочатковости их пока в сдерживается ограниченным генофондом двухпочатковых форм. Селекция двухпочатковых гибридов сопряжена с определенными трудностями, обусловленными незначительным количеством исходных форм, обладающих данным признаком, а также большим модифицирующим влиянием на него внешних факторов, затрудняющих отбор двухпочатковых образцов. 51 Многопочатковость у растений кукурузы обусловлена её генетическим и эволюционным происхождением. Ученые, изучающие происхождение и эволюцию кукурузы, как было указано выше, полагают, что не так давно растение кукурузы было кустистым и многопочатковым. Для получения исходного материала в качестве доноров были взяты следующие многопочатковые формы: многопочатковый позднеспелый сорт перловой кукурузы Леди Фингер, многопочатковые популяции из Румынии: 7098 А/72, 7094 А/72, 7112 А/72 - позднеспелого типа, развивают на растении 1,5-2 початка; многостебельно - многопочатковые популяции из Грузии селекции Г.М. Папалаишвили (1974); чехословацкие линии производные от скрещивания кукурузы с теосинте ТС1, ТС2, ТС3, ТС4, ТС5, ТС6, ТС7 среднеспелого типа, развивают 2-3 початка с мелким зерном. В результате направленного отбора и инбридинга были выделены двухпочатковые линии второго цикла селекции. Несмотря на важность многопочатковости в повышении продуктивности и её стабильности, знание о системе генетического контроля этого признака ограничена. По мнению Duwick (1974), Hallauer (1974), многопочатковость отвечает определению порогового признака и является количественным признаком. Duwick (1974) опубликовал изучение связи между многопочатковостью и степенью бесплодности растений при высоких густотах стояния. Он считал, что многопочатковые типы следует выращивать в условиях интенсивной культуры. Hallauer (1974) вычислял наследуемость многопочатковости в F2 и бескроссных популяциях в скрещиваниях между линиями, известными своими различиями по числу початков. Опыт проводился при трех густотах стояния (19.800, 39.700 и 59.300 растений/га) на семи простых гибридах восьми линий. По каждой густоте стояния вычисляли наследуемость числа початков и весовой индекс числа початков. Наследуемость, вычисленная по опытам с учетом гибридов и густот, составила 27,4% для весового индекса числа початков и 24,2% числа початков. 52 По многопочатковости депрессия при инцухте, так же как и гетерозис, при скрещивании самоопыленных линий, не проявляется (Джозефсон, 1964; Гурьев, 1969). По данным Н.Ф. Меланущенко (1972), Е.А. Климова (1982, 1985, 1986), по числу початков гибриды занимали промежуточное положение между родительскими формами, приближаясь к худшей. Преимущественное влияние аддитивных генных эффектов, по сравнению с доминированием, на развитие признака “число початков” отмечают А. Monteagudo и E. Alcarar (1968), а также Л.В. Павлова (1978). Значение аддитивных генов в контроле числа початков на растении возрастает при благоприятных условиях выращивания и при скрещивании родственных линий, свидетельством чему является значительное увеличение отношения ОКС/СКС (Mariani, Desiderio, 1975; Ristanovic, 1979). Другие авторы (Harris, Moll, Stuber, 1976; Гонтаровский, Скляр, Адегов, 1985; Климов, 1986) считают, что способность к многопочатковости обусловлена рецессивными факторами; однопочатковость доминирует. При скрещивании однопочатковых линий с двухпочатковыми Moll, Motto, Toledo (1981) наблюдали большое разнообразие растений с различной частотой асинхронности увеличения двух початков. Авторы приняли гипотезу, согласно которой количество початков контролируется одним геном. В основе производства любой сельскохозяйственной продукции растениеводства лежит сорт. Именно сорт определяет основные требования к технологии возделывания: продуктивность, энергоэкономичность, экологически безопасное качество, природоохранность. Большая часть этих требований к сорту возникла сравнительно недавно, в связи, с чем сформировалось новое направление исследований — экологическая селекция. Под экологической селекцией понимается совокупность приемов и методов, обеспечивающих получение сортов и гибридов с максимальной и устойчивой возделывания продуктивностью при соблюдении в условиях предполагаемого экологически безопасной региона технологии культивирования и минимальном накоплении поллютантов в продукции. Это 53 определение дает возможность объединить три взаимосвязанных направления экологической селекции растений: адаптивную селекцию, селекцию энергетически эффективных сортов и селекцию на снижение содержания поллютантов в продукции. Адаптивная селекция направлена на повышение устойчивости генотипов к биотическим и абиотическим факторам среды. Основными ее особенностями в отличие от традиционных подходов являются следующие: 1. Региональный характер и экологическая целенаправленность селекции, ориентация не на потенциальную, а на реальную продуктивность. 2. Единая стратегия подбора фонов на всех этапах селекционного процесса: а) комплексная дифференцирующей размещения оценка способности, селекционных параметров фона (типичности, б) оптимизация продуктивности); учреждений, пунктов экологического и государственного сортоиспытания, обоснованный выбор агрофонов; в) контроль за фоном для отбора с использованием сортов-тестеров. 3. Отбор на продуктивность и стабильность на разных этапах селекции: адаптивной а) разработка способности, методов оценки стабильности, общей интегральных и специфической показателей для выделения сортов "широкого ареала"; б) выбор селекционных схем, позволяющих оценить продуктивность и стабильность на различных этапах селекции, включая ранние поколения (Р 3—Р). 4. Кооперация селекционных учреждений в регионе при выполнении поставленной задачи. 5. Использование традиционных и разработка новых методов селекции: гетерозисная селекция, многолинейные смеси, периодический отбор, гаметная и зиготная селекция, перемещение селекционного материала в пределах региона и др. Главная особенность адаптивной селекции — контроль экологической стабильности в селекционном процессе. Необходимость такого контроля обусловлена тем, что среднее значение признака и средовая чувствительность 54 находятся под самостоятельным генетическим контролем и относительно независимы. Отсутствие контроля за экологической стабильностью, неадекватные или лишенные биологического смысла статистические методы ее оценки при необоснованной стратегии сред могут повлечь за собой потерю приспособленных форм. Достижение экологической стабильности продуктивности как интегрального признака необязательно связано со стабильностью компонентов урожайности или иных морфобиологических признаков. Зачастую при стабильности интегрального признака проявляется нестабильность компонентов урожайности. Вторым важным направлением экологической селекции является селекция энергетически эффективных сортов Dambroth, Bassam (1983) одними из первых сформулировали необходимость создания энергосберегающих и энергетически эффективных сортов. По их мнению, такой сорт должен отвечать следующим требованиям: 1) высокий уровень использования местных условий роста (солнечная энергия, питательные вещества и др.); 2) сохранение почвы и ее естественного плодородия от эрозии и засоления; 3) низкое потребление энергетических затрат Э. А. Климашевский (1991) разработал генетическую концепцию минерального питания растений и обосновал необходимость селекции агрохимически эффективных сортов. Кроме того, на обширном экспериментальном материале им было показано, что агрохимически эффективные сорта обеспечивали в три — четыре раза большую прибавку урожая от действия туков по сравнению с агрохимически неэффективными. Первые из них имели в два раза более высокий коэффициент использования удобрений, а затраты на производство единицы продукции от действия NРК были в три раза меньше. Культивирование агрохимически эффективных (энергетически рациональных) сортов сократит употребление туков при возрастании продукционной способности агроценозов и уменьшении загрязнения окружающей среды. Создание энергетически эффективных сортов только начинает оформляться как самостоятельное направление экологической 55 селекции. Слабо изучен вопрос о генетической природе энергетической эффективности сортов. Выявление наследования этих параметров сорта в различных условиях среды, генотипов-доноров высокой энергетической эффективности, ее морфофизиологической и биохимической природы позволило бы вести направленную селекцию по этому признаку. Третье направление экологической селекции — селекция генотипов с минимальным радионуклиды) накоплением в поллютантов продукции. Это (нитраты, направление тяжелые металлы, сформировалось как самостоятельное сравнительно недавно в связи с увеличением накопления поллютантов в агроценозах и повышением требований к качеству продукции. В отличие от адаптивной селекции здесь на первый план выходит не столько устойчивость растения к лимитирующему фактору (содержание поллютантов в почве и т.п.), сколько отсутствие аккумуляции поллютанта в продуктивных органах (проблема качества продукции). Ряд авторов (Минеев, 1990; Тиво, Саскевич, 1990; Климашевский, 1991 и др.) показали, что у растений имеется генетически обусловленная изменчивость как на видовом, так и на сортовом уровне по содержанию нитратов и тяжелых металлов. По мнению О.И. Гамзиковой (1992), создание специальных сортов для природно-аномальных по химическому составу почв и загрязненных территорий — это на современном этапе практически единственное реальное решение возникающих экологических проблем. Автор считает, что такой путь гораздо экономичнее техногенных мероприятий: применение больших доз органических удобрений, химических реагентов, снятие верхнего слоя почвы или вывод пашни из сельскохозяйственного использования. В литературе терминами "экологическая" и "адаптивная" селекция часто пользуются как синонимами. На наш взгляд, это не совсем правомерно, поскольку термин "экологическая селекция" значительно шире. Термин "адаптивная селекция" правомерно применять, когда речь идет о необходимости сочетания продуктивности и приспособленности в одном генотипе. Однако снижение накопления поллютантов в продукции в результате селекции не 56 обязательно связано с их приспособленностью. Это проблема качества продукции, имеющая отношение больше к здоровью человека, чем к приспособленности генотипа растения. Тем не менее, это экологическая проблема. То же можно сказать о втором направлении экологической селекции — создании энергетически эффективных сортов. Возможность снижения энергетических затрат при внесении пестицидов, удобрений и т.д. в результате создания энергетически эффективных сортов также выходит за рамки адаптивной селекции. Более детально три направления экологической селекции будут рассмотрены в следующих главах. Все направления экологической селекции взаимосвязаны между собой и находятся в одном русле. Тем не менее, каждое из них имеет свою специфику (изучаемые признаки, методы селекции, экологическая значимость в результате селекции материала). Высота растений. Высота растений - один из наиболее важных морфологических признаков, так как коррелятивно связана с другими показателями - высотой заложения початков, облиственностью, полегаемостью и продуктивностью кроме того она служит важным показателем при индустриальной технологии возделывания кукурузы, а также при подборе родительских пар на участках гибридизации. Нередко высота растений гибридов в значительной мере зависит от высоты растений родительских форм (Грушка, 1965). Высота растений кукурузы тесно коррелирует со многими морфологическими признаками и элементами продуктивности (Жуковский, 1971), а также с такими показателями, как комбинационная способность и продуктивность (Грушка, 1965). Требования производственников, значит, и селекционеров, к высоте растений сортов и гибридов кукурузы неоднозначны. При возделывании кукурузы на силос желательно использовать высокорослые формы. Это будет способствовать зернового повышению урожая листостебельной массы. Гибриды типа должны быть более низкорослыми, пригодными для 57 комбайновой уборки. Поэтому селекционные программы и методы работы определяются в зависимости от поставленных задач и с учетом закономерностей изменчивости, а также наследственности высоты растений и других количественных признаков. Генетический контроль развития признака “высота растений” изучался многими исследователями, но полученные данные противоречивы. Авторы пришли к заключению, что преимущественную роль в генетическом контроле высоты растений у кукурузы играют доминантные гены, хотя влияние генов, проявляющих аддитивные действия, часто также существенно (Турбин, Хотылева, Тарутина, 1969, 1970; Gardner, Harvey, Comstock, Robinson, 1959; Rumbagh, Lonnguist, 1959). Степень доминирования разная: неполная, полная, но чаще всего проявляется сверхдоминирование. В других работах показано, что гены, проявляющие аддитивное действие, оказывают более существенное влияние на высоту растений, чем доминантные гены или эпистатические действия генов (Comstock, Robinson, Harvey, 1949, 1955; Castro, Gardner, Lonnguist, 1968; Piovarci, Nesticky, 1975;Prodhan, Dana, Sarkar, 1981). По данным L. Daniel (1969) эпистаз играет второстепенную роль в контроле высоты растений, могла как в опытах Gorsline(1961), Melchinger, Geiger, Schnell (1986) его влияние было значительным. Высота растений, как у линий, так и у гибридов слабо коррелирует с другими количественными признаками. Следует отметить, что в засушливых условиях Юго-Востока она отрицательно коррелирует с продолжительностью вегетационного периода. Более четко эта закономерность выражена у гибридов, менее - у самоопыляющихся линий. Положительная корреляция отмечена лишь с высотой прикрепления початка, что согласуется с данными А. Obilana, A. Hallauer (1974). Между высотой растений, с одной стороны, и урожаем, его компонентами, с другой, коэффициенты корреляции несущественны, что свидетельствует о возможности выведения низкорослых, но высокопродуктивных по зерну гибридов для условий орошения. 58 Высота растений гибридов значительно (на 21-27%) превышает высоту растений их родительских форм. При этом влияние условий выращивания на степень проявления гетерозиса по признаку “высота растений” небольшое. Так, гибриды по высоте растений превышали родительские формы при возделывании в различных условиях загущения примерно в одинаковой степени. Б.П. Гурьев (1970) пришел к выводу, что высота растений у гибридов зависит от высоты растений родительских форм. В наших опытах абсолютная высота растений гибридов F1 также в значительной мере определялась уровнем выраженности этого признака у родительских форм. Коэффициенты корреляции между высотой растений родительских линий и высотой растений гибридов положительны, существенны, хотя и невысоки (0,49-0,66). При выращивании кукурузы в условиях орошения, особенно в регионах, характеризующихся сильными ветрами, обычно наблюдается значительное полегание растений. Г.М. Павлов (1968) связывают устойчивость растений к полеганию с толщиной, прочностью и высотой стеблей, а также массой корневой системы, глубиной залегания её в почве и наличием воздушных корней. Однако ряд авторов (Вареник, 1987; Вареник, Шарбашов, 1987) объясняют полегание растений поражение кукурузы корневыми и стеблевыми гнилями, вызываемыми комплексом факультативных грибов, сильное действие которых проявляется в период высоких температур и повышенной сухости воздуха. У поврежденных растений кукурузы наблюдается побурение и частичное разрушение корней и нижних междоузлий, что ведет к полеганию и ломке стеблей до 17% и снижению урожая зерна до 38% (Третьяков, 1985). По утверждению Г.Е. Шмараева (1978) стеблевые гнили широко распространены кукурузосеющих в США, странах. Индии, Стеблевые Югославии, Венгрии бактериальные и гнили других широко распространены на посевах кукурузы юга Украины, Молдавии, на Северном Кавказе России и в Закавказье (Павлов, 1965). М.И. Хаджинов (1935) и др. считают, что признак устойчивости растений к полеганию наследственный. 59 Для орошаемого земледелия предпочтение отдается среднерослым сортам и гибридам с прочным толстым стеблем и с хорошо развитой корневой системой. Эти образцы при орошении и внесении высоких доз минеральных удобрений менее склонны к полеганию, чем высокорослые формы. Учитывая это при подборе исходного материала, мы брали преимущественно гибриды зарубежной селекции с высокой устойчивостью к полеганию растений. В результате исследований большого количества зарубежных гибридов, а также перспективных местных сортов и синтетиков в условиях орошения нами установлено, что большинство изучаемого материала характеризовалось высокой устойчивостью к полегаемости растений и ломкости стеблей. В отдельные годы у некоторых гибридов отмечено лишь незначительное количество полегших растений. Минимальный процент полегших растений кукурузы наблюдался у гибридов кукурузы из США, Югославии, Франции, Германии, Италии, Испании, Венгрии, Болгарии, где отмечен высокий уровень селекции этой культуры. Число початков. Отбор линий по признаку число початков на главном стебле позволил, как было уже отмечено, выделить ряд линий, характеризующихся стабильным формированием у них в течении 7-8 лет около двух и более числа початков, некоторые из них послужили в данной работе материалом для генетического анализа этого признака в системе диаллельных скрещиваний. Вместе с тем, мы исходили из того, что этот признак контролируется рецессивными аллелями, может быть и некоторыми доминантными. У гибридов в большинстве случаев по литературным данным и по результатам многолетних исследований наших гибридов не проявлялось полное доминирование двухпочаткового родителя, а гибриды имели промежуточный характер исследования по числу початков. Этим, по-видимому, объясняется и отсутствие гетерозиса между такими линиями. 60 В работах А.Ф.Казанкова и Л.А.Пономаренко (1979) было показано, что число початков на растении возрастает, если у исходных родительских форм их количество початков повышено. Так, по данным этих авторов среднее число початков на 100 растений больше у простых гибридов, родители которых имеют по два початка, т.е. было собрано с таких гибридов по 144 початка, тогда как при скрещивании однопочатковых линий соответственно только 106, а при двухпочатковом одном родителе - 125 початков. Урожай зерна. Урожай зерна является наиболее сложным количественным признаком. В литературе имеются разные мнения о значении компонентного анализа в интерпретации наследования и генетического контроля этого признака. X. Williams (1960) считает, что следует проводить анализ только отдельных компонентов урожая, это позволяет получать более объективную информацию об изучаемых явлениях и упрощает их генетическое объяснение. R. Moll, H. Kojita, H. Robinson (1962) оспаривают эту точку зрения, считая, что урожай наследуется как целостный признак. Работ, посвященных изучению наследования и генетического контроля урожая зерна у кукурузы довольно много. H.Robinson, R. Comstock, C. Cockerham (1958) получили результаты, предполагающие влияние на урожай аддитивного эффекта генов и частичного или полного доминирования. В опытах сверхдоминирование F.Hull (1946,1948) играло более в большинстве значительную роль в случаев контроле продуктивности, чем не полное доминирование. В исследованиях C. Gardner, J. Lonnquist (1959), J. Grafius (1960) гены, контролирующие урожай, показывают не более, чем полное доминирование, хотя сверхдоминирование возможно в одном или более локусах. Таким образом, в литературе имеются часто противоположные мнения о системе генетического контроля такого сложного количественного признака, как урожай зерна. 61 3.1 Проблема взаимодействия генотип х среда в селекции растений Взаимодействие генотип х среда (ВГС) определяется как доля фенотипической вариации, которая возникает из-за несоответствия генетических и негенетических эффектов (Тарутина, Хотылева, 1982). Это означает, что при изучении генотипов в различающихся средах происходит изменение их рангов в связи с различной нормой реакции генотипа на среду. Как показали Allard, Bradshaw (1964), число возможных взаимодействий между т генотипов и п сред равно (тп)/\т\п\. Наличие взаимодействия вызывает большие затруднения у селекционеров на ранних этапах селекции, поскольку отбор в одних условиях может не обеспечить преимущества генотипов в других. Различные аспекты взаимодействия генотип х среда в селекции широко обсуждаются. В результате проведенных исследований установлено, что взаимодействие генотип х среда является общебиологическим явлением, статистически выражающимся в неаддитивности эффектов генотипов и сред, имеющим место при определении различных генетических параметров. Предложены статистические подходы для оценки взаимодействия при испытании сортов в нескольких средах (взаимодействие сорт х год, сорт х местность, сорт х год х местность), при оценке общей и специфической комбинационной способности генотипов, степени доминирования. При анализе различных подходов к учету взаимодействия генотип х среда необходимо акцентировать внимание на следующих моментах. В первую очередь ВГС является статистическим феноменом, хотя и имеет вполне реальное биологическое содержание (различие в нормах реакции генотипов) и реализуется только на популяционном уровне в результате различных способов статистической обработки данных (дисперсионный, регрессионный анализ и др.). Поэтому информация о доле взаимодействия в фенотипической вариансе приложим в первую очередь к изучаемой популяции. 62 Существует ряд методических подходов для расчленения вариансы взаимодействия пропорционально конкретным сортам или средам (Wricke, 1962; Eberhart, Russell, 1966; Tai, 1971 и др.). Ценность такой формации для селекционера весьма относительна, поскольку доля взаимодействия сорта или среды определяется конкретными наборами сортов или сред, а также степенью "типичности" нормы реакции генотипов в среде по сравнению с усредненной информацией по всем средам. Уникальный сорт, сочетающий в себе продуктивность и стабильность, в популяции нестабильных генотипов с близкой нормой реагирования на среду может вносить существенный вклад во взаимодействие генотип х среда, что поставит под сомнение целесообразность его использования, в популяции же себе подобных вклад такого генотипа во взаимодействие будет невелик. Как было показано в работах Н.В. Глотова (1983а, 1983б), Н.В. Глотова, В.В. Тараканова (1985) на дрозофиле, среди нетипичных семей с большим вкладом во взаимодействие генотип х среда имеются семьи двух типов: стабильные, показывающие относительно слабое уменьшение значения признака на обедненной среде и увеличение его значения на богатой среде, и нестабильные, проявляющие резкое уменьшение значения признака на обедненной и увеличение — на богатой среде. Поэтому встречающиеся в литературе рекомендации о той или иной желаемой степени ВГС идеального сорта, по-видимому, лишены конкретного содержания, а трактовка ВГС в селекции в большей степени приложим на популяционном уровне, чем на организменном, хотя не исключены ситуации, где информация о доле взаимодействия генотипов в популяции может быть полезна (изучение компонентов многолинейных сортов, наборов сортов для данной местности и др.). Взаимодействие генотип х среда имеет сложную природу, в нем нельзя выделить долю генотипов или сред (Hill, 1975; Глотов, 1983). Кроме того, как показал J.Hill (1975), оно частично наследуется. При анализе причин взаимодействия необходим учет конкретных особенностей генотипов и 63 факторов среды. Генетическая природа ВГС обсуждалась нами в предыдущей главе. Изменение рангов генотипов в различных условиях среды связано с несовпадением кривых толерантности отдельных генотипов на определенном градиенте фактора среды (Герасименко, 1992). В.О. Островерхов (1992) показал, что сорта винограда достоверно отличаются по всем параметрам нормы реакции генотипа, причем межсортовая изменчивость квадратичного отклонения, асимметрии и эксцесса примерно равна изменчивости среднего значения. Н.В. Глотов (1992) выявил на видах растений и животных, что при резких отклонениях среды от экологического оптимума эффект взаимодействия генотипа и среды проявляется всегда, а его доля в общей изменчивости примерно равна доле собственно генотипических эффектов. Эффект взаимодействия обусловлен не отдельными полиморфными генами, а популяционно-генетической гетерогенностью по множеству локусов. Н.В. Глотов (1984) считает, что эффект взаимодействия генотип х среда может выступать в качестве фактора стабилизации фенотипического облика популяции. В настоящее время нет недостатка в статистических подходах к анализу взаимодействия генотип х среда. Тем не менее, в литературе отсутствует метод оценки экологогенетических параметров популяций, генотипов и сред, который позволял бы селекционеру решать три прикладные задачи: 1. Определять параметры общей и специфической адаптивной способности генотипов, их экологической стабильности с целью повышения эффективности отбора сортов с заданными экологическими свойствами (с общей или специфической приспособленностью) для конкретных регионов. 2. Оценивать среду как фон для отбора при решении конкретной селекционной задачи. 3. Прогнозировать эффективность адаптивной селекции популяции генотипов на основе изучения характера их взаимодействия со средой. 64 4. Разработка такого метода комплексной оценки популяций, генотипов и сред способствовала бы повышению эффективности адаптивной селекции растений. 3.2 Эволюционно-генетические основы адаптивной способности и экологической стабильности генотипов Приспособленность культурных растений к условиям окружающей среды является результатом длительной эволюции. Поэтому целесообразно проанализировать особенности естественного и искусственного отбора в связи с их действием на экологическую устойчивость организмов. Естественный отбор согласно И.И. Шмальгаузену (1968, 1983), представлен в двух формах — движущей и стабилизирующей. Движущая форма отбора реализуется на основе селекционного преимущества (в измененных условиях внешней среды) определенных уклонений организации перед нормой реакции, установившейся в прежних условиях. В результате образуется новая норма реакции организма. Стабилизирующая форма осуществляется на основе селекционного преимущества (в известных, особенно в колеблющихся условиях) нормальной организации перед уклонениями от нормы, элиминации крайних особей и выработки большей устойчивости организма к условиям среды. Как подчеркивает И.И. Шмальгаузен, выделение этих форм отбора в "чистом виде" является абстракцией; обе формы взаимосвязаны, движущая форма всегда сопровождается стабилизирующей. Естественный отбор имеет индивидуальный характер, поскольку основан на элиминации особей. Естественный отбор в движущей форме носит творческий характер, так как его результатом является создание новых форм, приспособленных к изменившимся условиям. Движущая форма перестраивает систему адаптации организма, усложняет его функции и поднимает всю организацию на высший уровень жизнедеятельности (Шмальгаузен, 1968, 1983). Творческая роль стабилизирующего отбора проявляется в создании новых регуляторных механизмов индивидуального развития, нового генного 65 баланса и новых морфогенетических корреляций, прогрессирующей автономизации развития, смене внешних факторов развития внутренними. Таким образом, стабилизирующая форма отбора в каждый данный момент закрепляет полученные результаты, связывает их в целостную систему и обеспечивает максимальную надежность воспроизведения (Шмальгаузен, 1968). И.И. Шмальгаузен (1983) подчеркивает принципиальное сходство естественного и искусственного отбора, но не отрицает специфику последнего. А.В. Кильчевский, Л.В. Хотылева (1989) обобщили литературные данные по основным отличительным особенностям этих форм отбора. Главный вывод, который можно сделать из предлагаемой таблицы, заключается в принципиальной разнице между естественным и искусственным отбором по направлению, относительной роли основных форм, действию на систему генетического гомеостаза популяции и конечному результату. При проведении искусственного отбора преобладающей формой является движущая, стабилизирующая имеет место при сопутствующем действии естественного отбора, что в конечном итоге приводит к нарушению системы генетического гомеостаза, дестабилизации онтогенеза, частичной утрате приспособленности. Д.К. Беляев (1974, 1981) показал, что при доместикации животных имеет место дестабилизирующий отбор, ломающий систему онтогенетической регуляции признаков, сложившуюся в результате действия естественного отбора. Л.З. Кайдановым (1981, 1982) в экспериментах с дрозофилой установлено, что при действии искусственного отбора ведущая роль принадлежит дестабилизирующей форме, тогда как при действии естественного отбора — как правило, стабилизирующей форме. Автор рассматривает генный баланс как сбалансированную систему мутаций, действующих на приспособленность в плюс - и минус-направлении. Lerner (1954) отмечал, что попытки изменить популяции слишком быстро и слишком далеко от адаптивных средних значений по специфическим 66 признакам в результате искусственного отбора ведут к частичной утрате приспособленности. Согласно основному положению, сформулированного им представления о генетическом гомеостазе максимальная приспособленность достигается при промежуточных, а не при крайних значениях признаков. Оптимальный генотип с точки зрения естественного отбора (по приспособленности) не совпадает с оптимальным генотипом с точки зрения искусственного отбора (по крайнему значению данного признака). Следует отметить, что механизм и направление действия естественного отбора в значительной степени определяются средой. М.А. Агаев (1978) установил, что при репродуцировании модельных популяций автогамных растений в необычных условиях в течение 10—12 поколений вырабатываются адаптированные к новым условиям формы. Автор объясняет выявленные закономерности на основе концепции "квантовой эволюции", выделяя следующие этапы популяционных преобразований: преадаптивную, переходную и постадаптивную. Основная особенность переходной фазы квантовой эволюции — интенсификация мутагенеза и увеличение объема внутрипопуляционной изменчивости. Н.С. Купцов (1981) сформулировал представление о существовании в жизненном цикле шести селективных сит: 1) период дифференцировки археспориальных клеток пыльника в мейоциты; 2) дифференцировка микроспор в жизнеспособные пыльцевые зерна; 3) период взаимодействия мужских гаметофитов с тканями женской генеративной сферы спорофита; 4) развитие яйцеклетки из археспориальной клетки; 5) период развития зиготы и других структур семяпочки в семя; 6) вегетация растения. На примере люпина автором установлено, что к фазе бутонизации остается только 0,01% генотипов от всех возможных. Наибольшая элиминация обеспечивается первыми тремя селекционными ситами, поэтому они особенно важны в селекционном отношении. Селекционер эффективно воздействует на популяцию лишь шестым селекционным ситом. Большая часть генотипов элиминируются на предшествующих этапах жизненного цикла, что приводит к 67 потере редких рекомбинантов, уклоняющихся от адаптивной нормы в результате стабилизирующего естественного отбора. А.А. Жученко (1980) детально рассмотрел основные селекционные проблемы, вытекающие из этого положения: расширение спектра рекомбинантов в результате создания комфортных условий на соответствующих этапах жизненного цикла, опыление малым количеством пыльцы, направленное воздействие экологических факторов на процесс рекомбиногенеза, гаметная и зиготная селекция. Вторая форма естественного отбора - косвенная - связана с активным воздействием фона отбора на селектируемую популяцию, в результате чего особи реализуют генетический потенциал только в тех условиях, в которых они были отобраны (Шмальгаузен, 1968, 1983; Купцов, 1971). Элементы среды, где проводился отбор, становятся необходимыми условиями развития организма. Отсюда возникает проблема типичности фона отбора: он должен соответствовать условиям, в которых планируется выращивать сорт. Таким образом, смысл выбора селекционного фона состоит в совпадении направления естественного и искусственного отбора. Все изложенное выше позволяет сделать следующие выводы: - искусственный отбор носит, как правило, дестабилизирующий характер, что требует контроля за экологической стабильностью в селекционном процессе на различных его этапах и выбора методов селекции и критериев отбора, позволяющих сочетать продуктивность и экологическую стабильность; - прямое действие естественного отбора при проведении искусственного приводит к элиминации преобладающей части генотипов в жизненном цикле растений. Необходимо шире использовать методы гаметной и зиготной селекции, сохранения редких рекомбинантов и другие способы активного регулирования элиминации, особенно в - первых пяти селекционных ситах; - прямое и косвенное действие естественного отбора на селектируемую популяцию приводит к специфической приспособленности к условиям 68 отбора. Следует разработать единую стратегию сред на всех этапах селекционного процесса, обосновать и использовать различные параметры фона для оптимизации селекции. Гомеостатичность организмов, сформировавшаяся в процессе естественного отбора, основана на реальных генетических механизмах приспособительных реакций, которые во многом зависят от способа размножения культуры (перекрестноопыляющаяся и самоопыляющаяся), уровня плоидности, гетерогенности сорта и других факторов. Рассмотрим генетические механизмы адаптации на двух наиболее актуальных для селекционера уровнях организации живого: организменном и популяционном. W.B.Cannon (1954) разработал концепцию физиологического гомеостаза как свойства организма приспосабливаться к переменным условиям, в основе которого лежит способность к саморегуляции. Lerner (1954) развил теорию генетического генетический гомеостаза состав как и свойства популяции противодействовать уравновешивать внезапным изменениям. Генетический гомеостаз коррелирует с физиологическим, так как адаптивные свойства особей вносят вклад в адаптивные свойства популяции. N.W.Simmonds (1962) определил селекцию растений как современную фазу эволюции, при приспособленные которой селекционер популяции, приспособленности: а) и стремится выделил специфическая получить следующие генотипическая более четыре типа адаптация — приспособленность линии или клона к ограниченной среде; б) общая генотипическая адаптация — адаптация определенных линий или клонов к ряду сред; в) специфическая популяционная адаптация - приспособленность к определенной среде, связанная с гетерогенностью популяции; г) общая популяционная адаптация — адаптация к ряду сред, связанная с гетерогенностью. Общая адаптация обеспечивается стабильностью значения признака, популяционная основана на взаимодействии между компонентами гетерогенных популяций и также может приводить к экологической стабильности. Автор выделяет два антагонистических понятия: адаптация 69 (приспособленность к данной среде) и адаптивность (способность к адаптивному генетическому изменению). Повышение адаптации популяции в результате отбора приводит к сужению ее генетической основы и ограничивает возможность последующих адаптивных изменений. На организменном уровне возможны следующие генетические механизмы адаптации (Кильчевский, Хотылева, 1989): 1) внутри - и межгеномная сбалансированность генотипа; 2) оптимальный уровень плоидности; 3) оптимальный уровень гетерозиготности; 4) баланс между ядром и цитоплазмой. На популяционном уровне наряду с указанными выше адаптивность обеспечивается за счет оптимального уровня гетерогенности популяции и характера взаимодействия между ее компонентами. Внутригеномная сбалансированность проявляется в различных аспектах. В первую очередь следует назвать наличие коадаптированных блоков генов (супергенов), контролирующих адаптивные реакции, которые мало подвержены разрушению в процессе селекции (Жученко, 1980, 1990). Такие блоки генов могли сформироваться в процессе длительной эволюции культурных растений. Одним из механизмов внутригеномной сбалансированности являются сложные корреляционные зависимости между признаками, в основе которых лежат явление сцепленного наследования и плейотропии, изменения проявления действия генов модификаторов в новой среде (Беляев, 1962), интегрированность адаптивных реакций (Шмальгаузен, 1983; Жученко, 1980, 1990). M.Ichii, H.Yamagata (1975) изучали эффект индивидуальных хромосом на фенотипическую изменчивость шести количественных признаков гексаплоидной пшеницы Chinese Spring в различных условиях среды, используя серию изменчивости из служил 21 моносомной коэффициент линии. Мерой вариации. фенотипической Установлено, что фенотипическая изменчивость моносомиков была выше, чем Chinese Spring, и степень изменчивости отличалась не только у индивидуальных моносомиков, но и у их гомологичных групп. Это предполагает наличие не только 70 внутригеномной, но и межгеномной несбалансированности, результирующейся в фенотипической изменчивости, степень которой зависит от индивидуальной хромосомы и гомологичной группы. Авторы пришли к выводу, что изменчивость в развитии находится под контролем генов и эти гены не в равной степени распределены в хромосомах. Важным генетическим механизмом, обеспечивающим адаптивные свойства организма, является уровень плоидности, о чем свидетельствует широкое распространение полиплоидии в природе, наличие полиплоидных рядов у основных культурных растений (Жуковский, 1964, Зосимович, 1974). Lerner (1954) считал основой теории генетического гомеостаза адаптивное преимущество гетерозигот. Именно превосходство гетерозиготных генотипов над гомозиготными обеспечивает им возможность благодаря онтогенетической саморегуляции оставаться в норме канализированного развития (физиологический гомеостаз), а также поддерживать оптимальную генетическую структуру популяций в результате естественного отбора промежуточных фенотипов как наиболее приспособленных (генетический гомеостаз). По мнению автора, селективное преимущество гетерозигот основано на аддитивном действии генов со сверхдоминированием в отношении приспособленности, на что указывает большая инцухт-депрессия признаков, связанных с приспособленностью. Дальнейшее развитие эти положения нашли в работе K.K. Pandey (1974), который пришел к выводу, что многие гены наследуются по двухярусной системе контроля: главные или структурные гены и полигены или гены-модификаторы, регулирующие действие структурных генов. Ряд авторов выявили большую буферную способность гетерозигот (Lerner, 1954; Simmonds, 1962; Griffing, Langridge, 1963; Allard, Bradshaw, 1964; Pandey, 1974). Определенная степень гетерозиготности в популяциях самоопылителей поддерживается естественным отбором (1968; Pandey, 1974) и может вносить ощутимую прибавку в урожайность сортов самоопылителей (Палилов, 1981). 71 Продуктивность генотипов и их устойчивость к стрессам во многом зависит от комбинаций ядерных и цитоплазматических генов (Палилова, 1981; Давыденко, 1989). Создание новых ядерно-плазменных комбинаций является новым направлением повышения продуктивности сельскохозяйственных растений. На популяционном фоне наряду с указанными выше, буферность сортов обеспечивается гетерозиготностью популяции, наличием генетической разнородности по норме реакции, компенсационных механизмов между компонентами такой смеси (Jensen, 1952; Allard, 1968; Frey, 1975; Жученко, 1980; Бороевич, 1984). Пока отсутствует единая теория, объясняющая сущность и генетические механизмы адаптации на уровне популяции, что свидетельствует о сложности адаптационных процессов, недостаточной изученности реализации генетической информации у эукариотов в онтогенезе, многовариантности и взаимосвязи между различными механизмами, приводящими в результате к большой приспособленности. Генетические основы продуктивности и экологической стабильности, общей и специфической адаптивной способности сортов в различных условиях среды изучены недостаточно. T.Matsuo (1975) считает, что генетическая база специфической адаптивной способности может быть сравнительно простой и контролироваться в основном главными генами (устойчивость к холоду, засухе, вредителям и т.д.). Эти признаки изредка могут играть важную роль и в общей адаптивной способности, например, нечувствительность к фотопериоду у риса обеспечивает возможность его возделывания в обширных ареалах. Поскольку средовые флуктуации, обусловленные различными условиями местности и года, вовлекают многие неспецифические факторы, общая адаптивная способность сорта к средовым флуктуациям — сложный количественный признак, по-видимому, контролируемый полигенами. Автор пришел к выводу, что общая адаптивная способность включает главным образом два признака - стабильность и 72 продуктивность. Сравнительное значение адаптивной способности определяется степенью стабильности и продуктивности в различных средах. Гены, контролирующие продуктивность, отличаются от генов, регулирующих стабильность, и можно отобрать сорта с высокой ОАС путем комбинирования двух признаков; высокой стабильности и продуктивности. К выводу об относительной независимости среднего значения признака и стабильности пришли и другие авторы (Bradshaw, 1965; Jinks, 1977; Джинкс, 1987; Кильчевский, Хотылева, 1989). Эта точка зрения согласуется с современными представлениями о структуре гена высших организмов (Георгиев, Корочкин, 1992). Согласно этой концепции, ген можно определить как единицу транскрипции, а генетический локус — как совокупность гена. К последним относятся энхансеры (усилители) и сайленсеры (ослабители). Обычно один ген контролируется несколькими энхансерами и сайленсерами, причем они могут располагаться за пределами гена как такового. K.W. Finlay, G.N. Wilkinson (1963) установили, что сорта ячменя, специфически приспособленные к определенной среде, имеют многие общие морфологические и физиологические признаки, в то время как для группы сортов с высокой общей адаптивной способностью таких признаков не выявлено. Это создает определенные трудности при создании модели будущего сорта широкого ареала. Hong-Pang Wu (1975) изучал генетические основы пластичности арабидопсиса в различных условиях среды (12 сред) методом диаллельного анализа (Hayman, 1954). Мерой экологической стабильности, которая также использовалась для анализа, служил коэффициент регрессии (Finlay, Wilkinson, 1963). Признаки - масса растения и число дней до цветения. Установлено, что большая масса и низкая ее стабильность доминируют. Раннее цветение и низкая его стабильность были рецессивны. Доминантные гены, управляющие фенотипом и его пластичностью, полностью отличаются. Между генотипами имеются различия в ответе на среду во время роста. 73 Генетическая основа среднего значения признака и его пластичности отличаются в соответствии со средами. В.А. Драгавцев и др. (1984) провели диаллельный анализ гомеостатичности сортов яровой пшеницы по признаку "масса зерен с колоса", используя в качестве меры стабильности коэффициент регрессии на среду и коэффициент мультипликативности. Результаты исследований J.E.Grafius (1965), A.D.Bradshaw (1965)1 T.Matsuo (1975), А.А.Жученко (1980), M.Gullord, A.H.Aastveit (1987)1 показывают, что характер изменчивости урожая обусловлен изменчивостью составляющих его компонентных признаков, однако каждый из них может флуктуировать независимо от урожая и его стабильность может быть связана с пластичностью компонентов. Так, например, стабильность урожая зерновых культур может быть связана со стабильностью массы зерна и числа зерен на единице площади и пластичностью числа колосков на единице площади. H. Morishima, H.I. Oka (1975) изучали формирование ОАС у риса (4 культурных и 5 диких форм) в онтогенезе. Изменчивость оценивалась по стандартному отклонению, трансформированному путем логарифмирования. Установлено, что культурные растения более пластичны по числу побегов, но менее пластичны в размере органов и урожае зерна. Пластичность в кущении может приводить к стабильности урожайности. Авторы пришли к выводу, что пластичность в одной фазе развития и стабильность в другой фазе могут обеспечивать общую адаптивную способность, а генотипы отличаться в комбинации стабильных и нестабильных фаз, возникающих при различных селекционных стратегиях. Между характером изменчивости фаз развития имеется компенсационный эффект и пластичность каждой фазы развития находится под собственным генетическим контролем. H.I Oka (1967) пришел к выводу, что OAC проявляется, когда темпы ассиммиляции урожая на различных стадиях онтогенеза не чувствительны к средам и развита буферная система для поддержания компенсационных связей между компонентами урожая на каждой стадии роста. 74 W.Link, B.Schill, E.von Kittlitz (1995) изучали генетические основы адаптивности Faba происходящие из Bean. Были Северной и привлечены три Центральной группы Европы, а сортов, также Средиземноморья. Авторами проведена гибридизация между сортами из различных групп. Как правило, гибриды занимали промежуточное положение, однако наследование зависело от места испытания. Выявлены гены-доноры широкой адаптации. Гетерозиготность обеспечивала большую урожайность и стабильность. Н.Н. Балашова (1991) считает, что существует тесная эволюционно обусловленная взаимосвязь устойчивости к патогенам, и абиотикам факторам среды. Направленность отбора на устойчивость только к одному фактору в силу интегративной реакции растения снижает адаптивный потенциал селектируемой формы. R.W.Allard (1995) в результате маркерного анализа генетической основы адаптивности у трех видов (овес, ячмень, кукуруза) пришел к следующим выводам: 1) единственный наиболее важный генетический механизм у трех культур — создание благоприятных эпистатических комбинаций аллелей различных локусов путем повторных циклов селекции, гибридизации выдающихся генотипов и инбридинга для гомозиготизации, ведущей к стабилизации лучших мультилокусных генотипов, адаптированных к специфическим условиям; 2) использование благоприятных взаимодействий между аллелями одного и того же локуса играет существенную роль у тетраплоидного вида овса Avena barbata и, вероятно, также у простых гибридов кукурузы; 3) элиминация нежелательных аллелей в результате отбора играет малую роль у всех трех видов. R.W.Allard установил, что в каждой среде адаптивность обеспечивается специфическим набором локусов. Показано, что в процессе доместикации ячменя уменьшается число аллелей на локус с 5,5 до 1,4—1,5. При интенсивном отборе кукурузы также снижаются генетические основы адаптивности. 75 Таким образом, генетическая природа адаптивных реакций растений изучена недостаточно. Наибольший интерес, на наш взгляд, представляет изучение следующих вопросов: 1. Анализ наследования среднего значения признака и экологической его стабильности, а также взаимосвязи между ними. 2. Изучение связи между экологической стабильностью признаков продуктивности и экологической стабильностью комплекса морфобиологических признаков генотипов растений. 3. Проявление экологической стабильности в онтогенезе. 4. Изучение связи между проявлением эффекта гетерозиса и экологической стабильностью гибридов. Решение этих вопросов позволило бы на генетической основе подходить к созданию модели сорта, а также выбору исходного материала и методов селекции для получения широкоприспособленных генотипов. 3.3 Основные особенности адаптивной селекции растений За последние годы термин "адаптивная", или "экологическая", селекция получил широкое распространение (Жученко, 1980, 1988, 1990; Пивоваров, Добруцкая, Турдикулов, 1990). Под адаптивной селекцией мы понимаем совокупность методов, обеспечивающих получение сортов и гибридов с максимальной и устойчивой продуктивностью в экологических условиях региона, для которого ведется отбор (Кильчевский, 1987). А.И. Моргунов и А.А. Наумов (1987) выделяют следующие основные особенности селекции на стабилизацию урожайности: а) тщательное генетико-физиологическое обоснование модели пластичного сорта с учетом основных лимитирующих факторов конкретного региона; б) подбор исходного материала на основе адаптивных свойств, используемых для этой цели форм; 76 в) включение элементов естественного отбора при проработке получаемых популяций и оценке селекционного материала на его экологическую пластичность в ранних поколениях; г) использование экологического испытания как основного метода выделения пластичных форм; д) научное обоснование выбора наиболее информативных пунктов для оценки селекционного материала; е) широкое применение математических методов оценки адаптных свойств испытываемых образцов; Майо (1984) считает, что повышение эффективности селекции, направленной на создание сортов, предназначенных для конкретных районов, — объективная реальность. Б.П. Гурьев и др. (1986) указывают на необходимость разработки теоретических основ экологически ориентированной селекции для выделения сортов, адаптированных к почвенно-климатическим условиям региона и принятой в нем технологии возделывания. Экологическая целенаправленность предполагает учет в модели сорта определенной вариабельности хозяйственно ценных признаков в конкретном для данного региона градиенте факторов среды. Отсутствие такого подхода при моделировании идиотипа сорта, подбор нетипичных фонов приводят в ряде случаев к тому, что сорт, отселектированный для одного региона, не получает там распространения, но районируется в совершенно иных условиях и часто на большом территориальном удалении от селекционного учреждения. Важным принципом стратегии адаптивной селекции является ориентация не на потенциальную, а на реальную продуктивность. В ряде случаев в селекционных программах ставится задача получения высокой потенциальной продуктивности. Ее выявление требует создания повышенного агрофона, который по отношению к условиям всех хозяйств региона будет нетипичным. Последствия такой селекции нежелательны также в связи с тем, что в этом случае "не работают" и фенотипически не проявляются гены устойчивости, случайный дрейф которых может привести к их потере. 77 Согласно правилам I.L Jinks, H.S. Pooni (1982), отбор в высокопродуктивной среде в сторону чувствительности увеличения признака селекционного приводит материала. Это большей средовой положение находит подтверждение в селекционной практике, так как современные сорта интенсивного типа в ряде случаев отличаются большей средовой вариабельностью (Неттевич, 1985; Коваль 1985). Важным принципом адаптивной селекции и ее существенной отличительной особенностью должна быть единая стратегия среды на всех этапах селекционного процесса. Если какое-либо звено селекционной цепи (например, экологическое сортоиспытание) выпадает из общей стратегии фонов, имеет нетипичные для региона среды, это приведет к искаженной оценке генотипов и утрате ценных форм. Опасность смещенных оценок генотипов тем более возрастает на ранних этапах поколений, где селектируемая популяция последовательно проходит через выборку сред, чередование условий роста в которых по годам во многом непредсказуемо. Жесткий отбор в нетипичный год может привести к браковке перспективного материала. Единая стратегия сред на всех этапах селекции предполагает решение следующих основных вопросов: а) комплексная оценка параметров фона (типичности, дифференцирующей способности, продуктивности, повторяемости указанных параметров по годам, местностям и при изменении набора генотипов), сопоставление количественной оценки параметров фона, определенной по реакции генотипов с анализом условий среды (температура, влажность почвы, освещенность и др.) с целью выявления комплекса "типичных" и дифференцирующих условий, а также лимитирующих факторов среды; б) оптимизация размещения селекционных учреждений, пунктов экологического и государственного сортоиспытания, обоснованный выбор агрофонов на основе оценки параметров фона, обеспечение 78 пространственной и временной репрезентативности оценок селекционного материала; в) контроль за фоном для отбора с использованием сортов - тестеров. При этом целесообразны два подхода: расширенный набор тестеров (8—10 и более) для анализа условий отбора в селекционном учреждении и узкий набор (3—4) для оперативного контроля за типичностью сред в селекционных питомниках (Кильчевский, 1987). Возможны два принципа оценки типичности фонов. Первый основан на обобщенной модели количественного признака (Жученко и 1980) и методе оценки типичности протекания погодных условий конкретном регионе (Григорян, 1982). Не отрицая достоинств предлагаемых подходов, следует отметить некоторые их недостатки: во-первых, необходимость анализа большого числа факторов среды и опасность наличия неучтенных факторов; во-вторых, построение сложных продуктивности от совокупного математических зависимостей действия факторов среды; в-третьих, трудности применения этих подходов на ранних этапах селекции. Второй принцип предполагает оценку типичности фона опосредованно, через реакцию генотипов-тестеров. В этом случае поведение испытуемых сортов является результатом суммирующего действия всей совокупности средовых факторов на различных этапах онтогенеза. Данный подход позволяет достаточно просто оценить типичность фона количественно. Использование концепции "целевой совокупности сред", предложенной R.T.Comstock (1978), даст возможность реализовать принцип экологической целенаправленности путем применения единых сортов-тестеров на различных этапах селекционного процесса, начиная от коллекционного питомника и кончая государственным и производственным испытанием. Оба принципа взаимно дополняют друг друга, но применение второго принципа и количественная оценка типичности фона на основе изучения сортов-тесте ров должны предшествовать последующему анализу факторов среды и причин "нетипичности" погодно-климатических условий, поиску конкретных лимитирующих факторов. 79 Следующим положением адаптивной селекции является отбор на продуктивность и стабильность на различных этапах селекционного процесса, что требует разработки методов оценки общей и специфической адаптивной способности, экологической стабильности, интегральных показателей для выделения сортов "широкого ареала". Рядом авторов (Bradshaw, 1965; Jinks, 1977; Кильчевский и др., 1986; Кильчевский и др., 1988 и др.) показана относительная независимость продуктивности и стабильности признака, связанная, по-видимому, с существованием генетических систем стабильности и продуктивности. Отбор в тех условиях, где фенотипически реализует только генетическая система продуктивности, может привести к случайному дрейфу генов, определяющих стабильность, и их потере. C другой стороны, Jinks (1977) в экспериментах с расщепляющимися популяциями табака пришли к выводу о том, что продуктивность и стабильность могут быть объединены в одном генотипе в широком ранге комбинаций. W.Powell (1986) считают, что может быть разработана селекционная программа ячменя для получения генотипов с желательным уровнем средовой чувствительности; с такой же уверенностью, как ранее для получения желательного среднего значения признака, причем средовая чувствительность мoжет быть зафиксирована на ранних этапах селекции (F3). К такому же выводу пришли А.В. Кильчевский и др. (1986) при оценке стабильности томата в ранних поколениях (F). Таким образом, контроль стабильности на различных этапах адаптивной селекции — ее отличительная особенность. Возможны следующие основные направления адаптивной селекции. Эффективность отбора на стабильность была показана в ряде работ. Cook (1932) одним из первых использовал типовой отбор (модальную селекцию) у хлопчатника. У этой же культуры H.L.Manning (1963) применил модальную селекцию, выделяя в сорте хлопчатника ВР-52 особи, попадающие в интервал т ± s. А.Н. Князев (1971) предлагает для воспроизведения сортов мягкой яровой пшеницы использовать линии по принципу S<X<2S, что по существу также является формой модальной 80 селекции. Ю.П. Алтухов (1983) приводит результаты модального отбора у хлопчатника и каракульских овец по комплексу признаков, используя принцип М + т. Автором установлено, что модальный отбор уменьшает изменчивость популяции. Выделение общей и специфической адаптивной способности является в определенной мере абстракцией. Сорт будет обладать высокой общей адаптивной способностью только в той совокупности условий, где он оценивался, специфическая же адаптивная способность к условиям местности (предсказуемые условия) должна сочетаться с общей адаптивной способностью к непредсказуемым условиям года. Однако, учитывая тот факт, что действие непредсказуемых факторов среды (погодные условия года) оказывает не меньшее влияние на продуктивность растений, чем действие условий местности (Boyd, 1976; Мамонтова, 1980), а также то, что 72% территории СНГ характеризуется либо холодным, либо крайне засушливым климатом, мы считаем, что предпочтение в селекционной стратегии следует отдать сортам "широкого ареала". Важность селекции, направленной на получение сортов широкого ареала, связана не только с большим разнообразием средовых условий, но также и с тем, что тенденция современной селекции растений заключается в переходе от широкоприспособленных к узкоспециализированным сортам (Бриггс, Ноулз, 1972), поэтому все более ощущается дефицит широко приспособленных сортов. Поскольку теоретические основы получения таких сортов разработаны недостаточно, их создание является чаще результатом интуитивного успеха, а не методически обоснованной программы селекции. С другой стороны, это не исключает необходимости получения узкоспециализированных сортов. По мнению Э.Д. Неттевича (1985), стратегия селекции должна учитывать достигнутый уровень урожайности в производстве и его ближайшие перспективы. Широкое использование в Нечерноземной зоне сортов ячменя интенсивного типа с недостаточной адаптивностью не дало прибавки урожая, так как только отдельные площади были пригодны для их возделывания. В 81 связи с этим, по мнению автора, необходимы сорта двух типов: базовые сорта для уровня урожайности до 30—40 ц/га с широкой приспособленностью к погодным, почвенным, агротехническим условиям и интенсивные сорта для уровня урожайности 50—60 ц/га широкой адаптивностью к местным условиям, высокой отзывчивость на внесение удобрений, устойчивостью к болезням. С. Бороевич (1984) пришел к выводу, что нет необходимости противопоставлять широкую и узкую приспособленность сортов. Следующая особенность адаптивной селекции — кооперация селекционных учреждений в регионе при выполнении поставленной задачи. Примером успешного сотрудничества является работа международного центра по селекции кукурузы, пшеницы CIMMYT, возглавляемого Борлаугом. Так, в 1972 году селекционный материал зерновых культур оценивался в 637 местах 62 стран. Широкая экологическая проверка новых сортов позволяет выделить образцы, приспособленные к разным уровням агротехники и разнообразным почвенно-климатическим условиям (Мережко, 1979). Основой создания сортовых или гибридных популяций, сочетающих высокую продуктивность с экологической стабильностью, являются следующими генетическими механизмами (Кильчевский, Хотылева, 1989): внутригеномный и межгеномный генетический баланс, баланс между ядром и цитоплазмой, оптимальный уровень плоидности, гетерозиготности и гетерогенности. Для выявления и фенотипической реализации генетических механизмов адаптивности особей и популяций необходима оптимизация селекционного процесса в следующих направлениях: а) создание потенциала адаптивной генетической изменчивости; б) фенотипическая реализация адаптивной генетической изменчивости в результате выбора определенной селекционной схемы и средовых условий; в) получение и интерпретация информации об адаптивных возможностях особей селектируемой популяции; отбор особей, сочетающих продуктивность и устойчивость; г) поддержание 82 адаптивности созданной популяции при ее размножении до размеров, обеспечивающих производственное использование. Разработка теоретических основ адаптивной селекции требует нового подхода к тому арсеналу селекционных методов, которым пользуются селекционеры. Анализ литературных данных и собственные исследования позволяют выделить следующие направления адаптивной селекции. 1. Широкое использование и большая экологическая проработка генетических методов, обеспечивающих создание потенциала генетической изменчивости (отдаленная гибридизация, мутагенез, клеточная и генетическая инженерия), а также организменном и методов достижения популяционном уровнях генетического баланса (полиплоидия, на гетерозис, применение многолинейных смесей). 3.4. Основа методики селекции и характеристика исходного материала Предложен метод генетического анализа, основанный на испытании n генотипов в m средах и позволяющий выявить общую (ОАС) и специфическую (САС) адаптивную способность генотипов, их стабильность, а также сравнить среды по их способности (ДСС) дифференцировать генотипы. Показано, что вариансы САС и ДСС дают более точную информацию о стабильности генотипов и дифференцирующей способности среды по сравнению с соответствующими вариансами взаимодействия генотипа и среды. Обоснованы основные направления адаптивной селекции: селекция на САС, ОАС и ДСС с учетом стабильности. Предложен способ оценки селекционной ценности генотипа (СЦГ) для отбора высокопродуктивных и стабильных форм. Метод позволяет также расчленить фенотипическую вариансу популяции на вариансы общей и специфической адаптивной способности, с целью сравнения популяций и выбора методов селекционной работы с ними. 83 Под адаптивной способностью понимается способности генотипа поддерживать свойственное ему фенотипическое выражение признака в определенных условиях среды. Общая адаптивная способность генотипа (ОАС) характеризует среднее значение признака в различных условиях среды, специфическая адаптивная способность (САС) — отклонение от ОАС в определенной среде. Разработанный нами метод оценки ОАС и САС основан на испытании популяции из n генотипов в m средах. Число повторений равно с. Тогда xikr=u+vi+dk+ (vd)ik +eikr где хikr — фенотипическое значение i-того генотипа, выращенного в k–той среде в r-том повторении, u — общая средняя всей совокупности фенотипов; vi — эффект i-того генотипа; dk — эффект k-той среды; (vd)ik - эффект взаимодействия i-того генотипа с k-той средой; eikr — эффект, обусловленный случайными причинами и отнесенный к ikr-тому фенотипу. На элементы модели накладываются следующие ограничения: v d i i Для k ( vd) ik ( vd) ik e ikr 0. k i k установления существенности вкладов генотипов, сред и взаимодействия между ними в фенотипическую изменчивость популяции используется двухфакторный дисперсионный анализ. Интерпретация результатов дисперсионного анализа зависит от предположений относительно изучаемого материала. Если генотипы и среды являются неслучайными выборками, мы считаем их эффекты фиксированными и можем получить информацию о конкретных генотипах и средах. В этом случае используется модель I, в которой все эффекты, кроме независимо варьирующей еikr, считаются постоянными величинами. Величина еikr распределена нормально с пулевым средним и вариансой равной е2. Для установления существенности эффектов генотипов, сред и взаимодействия используется F-критерий. При этом соответствующие средние квадраты сравнивают со средним квадратом случайных отклонений Ме. 84 для генотипов F[n-l,nm(c-l)]= для сред F[m-l,nm(c-l)]= Mn ; Me Mm ; Me для взаимодействия генотипов со средами F[(n-l) (m-l),nm(c-l)]= M nm . Me Если генотипы являются случайной выборкой из популяции, а среды — случайной выборкой из совокупности сред, тогда используется модель II. В этом случае можно получить информацию о параметрах популяции генотипов в определенной совокупности сред. В модели II постоянна только величина u, все же остальные эффекты vi, d k , (vd)ik, распределены независимо и нормально со средней, равной нулю и вариансой 2, где =v, d, vd. В этом случае для проверки гипотез относительно генотипов и сред используют средний квадрат взаимодействия генотип — среда Мnm, а для проверки существенности взаимодействия генотип Х среда — средний квадрат случайных отклонений Ме. Критерий F используется: Mn ; M nm для проверки G2= 0 F[n-l, -1)(m-l)]= для проверки E2 =0 F[( m 1, (n-l)(m-l)]= для проверки GXE2=0 F[(n-l) (m-l),(nm(c-l)]= Mm ; M nm M nm . Me Содержание следующего этапа анализа зависит от принятой модели. Для определения эффектов ОАСi и САСik усредним значения фенотипов по повторностям. Тогда результаты испытания n генотипов в m средах можно записать в виде таблицы из nm клеток, в которой Xi - сумма всех фенотипов iтого генотипа. Хk - сумма всех фенотипов в k-той среде, X..- общая сумма всех фенотипов, хik - фенотипическое i-того генотипа в k-той среде (таблица 1): 85 X i. x ik x i1 ... x ik ... x im ; k X k x ik x1k ... x ik ... x nk ; i X.. x ik x11 ... x1m ... x 21 ... x nm ; k i xik=u+vi+dk+(vd)ik; xik=u+OACi+CACik. Эффекты ОАС и САС вычисляются по следующим формулам: u= 1 X..; nm OACi v i 1 1 Xi . X..; m nm 1 1 d k X .k X..; n nm ( vd) ik x ik 1 1 1 X i. X .k X..; m n nm САСik = dk + (vd)ik = xik - 1 Xi . m Варианса случайных отклонений для среднего значения фенотипа в e2 определенной среде хik равна var (xik) = = 2. c Bapиaнca разности средних значений двух фенотипов var (xik- xnm) = 2. Вариансы эффектов можно найти по формулам: var(u) 1 2 σ ; nm var(v i ) n -1 2 σ ; nm var(d k ) m -1 2 σ ; nm var(vd) ik nm - n - m 1 2 σ ; nm 86 Вариансы сумм аффектов вычисляются по формулам var(v i vd ik ) n -1 2 σ ; n var(d k vd ik ) m -1 2 σ. nm Вариансы разности эффектов равны var(v i v n ) 2 2 σ ; m 2 var(d k d m ) σ 2 ; n n 2 m 2 2 var(vd ik vd nm ) σ ; m n var(v i vd ik - v n vd nm ) 2(n 1) 2 σ ; n var(v k vd ik - d m vd nm ) 2(m 1) 2 σ. m Для получения стандартной ошибки разности эффектов необходимо извлечь квадратный корень из соответствующей вариансы. Наименьшая существенная разница определяется путем умножения стандартной ошибки разности на величину Q. Сравнение генотипов по общей адаптивной способности можно провести путем сопоставления OACi. Для оценки способности i-того генотипа вступать во взаимодействие со средами можно использовать вариансу взаимодействия 2 σ (GXE) gi 1 nm n m 1 2 ( vd) ik2 σ. m 1 k nm 87 В качестве меры стабильности i-того генотипа предлагается применять вариансу CACi 2 σ (CAC) i 1 m 1 2 (d k vd ik ) 2 σ. m 1 k m При этом под стабильностью мы понимаем способность генотипа в результате регулярных механизмов поддерживать определенный фенотип в различных условиях среды. Стабилизирующий отбор является эволюционной основой создания регуляторных механизмов, обеспечивающих фенотипическую стабильность генотипа. При этом стабильность в проявлении одного признака может сочетаться с пластичностью в проявлении другого. Предлагаемая методика оценки стабильности основана на объединении линейной и нелинейной части реакции генотипа на среду и этим отличается от метода Финлея, Уилкинсона, где мерой стабильности является линейная реакция; метода Врике, где стабильность оценивается по нелинейной реакции; и методов Эберхарта, Расселла и Таи, где введены соответствующие параметры линейной и нелинейной реакции генотипа. Введено понятие относительной стабильности генотипа: sgi = σ CAC i u OACi . 100%. Этот показатель позволит сравнивать результаты опытов, проведенных с различным набором культур, генотипов, сред и изучаемых признаков. По существу, относительная стабильность аналогична коэффициенту вариации при изучении генотипа в ряде сред. Отношение lgi= σ (GXE) σ 2 CACi i может служить показателем нелинейности ответа i-гo генотипа на среду. Если lgi1, генотип реагирует на большинство сред нелинейно. При lgi0 преобладает линейная реакция генотипа на среду. Реакцию генотипа на улучшение условий среды можно определить по величине коэффициента регрессии генотипа на среду bi: 88 bi x ik dk k d 2 k . k Большие разногласия имеются при селекционной интерпретации оценки стабильности генотипов. Так, Эберхарт и Расселл предложили считать оптимальным сорт с высоким средним значением признака, коэффициентом регрессии, близким к единице и наименьшими отклонениями от линии регрессии. Выбор bi= 1 связан с тем, что средний урожай генотипов со значениями bi<1 обычно ниже популяционного среднего. Однако работой Джинкса с сотрудниками показано, что в результате отбора можно добиться любого сочетания среднего значения признака и средовой чувствительности. Наиболее приемлемой, по нашему мнению, является точка зрения Финлея и Вилкинсона. Оптимальным авторы назвали такой сорт, который, имея высокую общую адаптивную способность, дает наибольший урожай в благоприятных средах и обеспечивает максимальную стабильность. Алтухов считает, что сорт со средней, но стабильной урожайностью представляет большую экономическую ценность, чем специализированный сорт с потенциально высокой, но сильно колеблющейся урожайностью. По мнению Жученко и др., в производстве реализуется лишь 10—30% потенциальной продуктивности интенсивных сортов, что связано с их недостаточной экологической устойчивостью. Окончательная оценка селекционного материала будет зависеть от задач адаптивной селекции. Возможны следующие основные направления адаптивной селекции. 1. Отбор на САС генотипов в определенной среде. Такая селекция желательна только в регулируемых условиях среды (закрытый грунт, орошаемые земли и т. д.). При этом существует опасность обеднения генетической основы общей приспособленности и уменьшения стабильности генотипа. 89 2. Отбор на ОАС генотипов к ряду сред. Проводится по среднему значению фенотипа во всех средах и по данным Джинкса, Пуни обеспечивает максимальный прирост признака по сравнению с отбором в благоприятных или неблагоприятных средах и среднюю средовую чувствительность. Последняя не контролируется в процессе отбора. 3. Отбор на ОАС с учетом стабильности. Теоретической основой такого направления адаптивной селекции является учение Шмальгаузена о неразрывности двух основных форм естественного отбора: движущей и стабилизирующей. Первая форма отбора преобразует строение и функции организмов, вторая ведет к стабилизации формообразования, т.е. к автономизации онтогенеза и развитию его регуляторных механизмов. Эффективность отбора на стабильность (модальной селекции) у растений и животных показана в ряде работ. Однако стабилизирующий отбор сам по себе не способен создать чего-либо нового и имеет значение только в плане сохранения пенных свойств популяций и повышения их устойчивости к средовым флуктуациям. Отбор на ОАС с учетом стабильности требует определенного селекционного критерия, позволяющего сочетать в генотипе продуктивность и устойчивость. Хангильдин селекционной ценности с сорта соавторами формулу Sc применили =x x lm , x opt для что выявления ограничивает возможности отбора двумя фонами (оптимальным и лимитирующим). Мы предлагаем определять селекционную ценность генотипа СЦГ следующим образом СЦГi=u + ОАСi - pСАСi. Обычный селекционный критерий p=2,3 вряд ли применим, так как при большой САСi, возможны ОТрицательные значения СЦГi, а также потеря генов продуктивности. В качестве первого приближения к достижению оптимального баланса при отборе по продуктивности и стабильности мы предлагаем использовать среднее значение СЦГ в популяции, равное 0,5u. Тогда легко установить связь между относительной стабильностью 90 генотипов в среднем для популяции s g (s g s g1 ... s gn n ) и числом р ( p 100 ). 2s g Такой подход означает, что при низкой s g будет идти более интенсивно отбор на стабильность, а при высокой s g — отбор на продуктивность. Большой интерес для селекционеров представляет оценка среды как для отбора. Синская выделила три типа фонов; стабилизирующий, на котором полиморфизм популяции не выявляется; анализирующий, способствующий выявлению различных биотипов, и нивелирующий, в котором угнетается жизнеспособность различных биотипов и нивелируются различия между ними. Предлагаемый нами метод анализа позволяет не только оценить параметры адаптивной способности генотипов, но и охарактеризовать среды как фоны для отбора. Нам представляется интересным сравнить среды по способности вызывать взаимодействие генотип х среда: 2 σ (GXE) ek 1 nm n m 1 2 (vd) ik2 σ. n 1 i nm Для определения дифференцирующей способности k-той среды можно использовать вариансу 2 σ (ДДСС k 1 n 1 2 ( v i vd ik ) 2 σ. n 1 i n Дифференцирующая способность среды дает информацию о среде как о фоне для отбора. Чем больше 2ДССk k-той среды, тем сильнее будет выявлен полиморфизм в дифференцирующая популяции по способность данному среды sek признаку. = σ ДСС k u dk . Относительная 100% позволит сопоставлять результаты исследований с разным набором культур, генотипов, сред и признаков. Отношение lek = σ 2 (GXE) σ 2 ДСС ek можно определить как коэффициент k нелинейности ответа генотипа на среду. При lek1 изменчивость в k-той среде носит преимущественно нелинейный характер, а при lek0 - линейный. 91 При интерпретации варианс САС и ДСС возникает вопрос, насколько они информативны и могут ли они быть заменены вариансами взаимодействия генотипа и среды. Многие авторы считают, что варианса взаимодействия генотип Х среда может быть принята в качестве меры стабильности генотипов. При этом статистическая оценка заслоняет биологическую сущность взаимодействия генотипа и среды, которая состоит в усилении или ослаблении эффектов генотипов (сред). При несовпадении знаков эффектов генотипа (среды) и взаимодействия, уменьшаются вариансы дифференцирующей способности сред или стабильности генотипов (эффект компенсации). При совпадении знаков эффектов, соответствующие вариансы увеличиваются (дестабилизирующий эффект). Поэтому при одинаковой вapиaнce взаимодействия генотипа и среды вариансы стабильности генотипов, а также дифференцирующей способности сред могут отличаться. Для определения компенсирующего эффекта нами предложены коэффициенты компенсации генотипов и сред. Коэффициент компенсации iтого генотипа 2САСi’= можно определить по формуле Kgi = 2 σ CAC σ i 2 CAC'' , где 1 m 1 2 d 2k σ , т.е. 2САСi показывает, какова стабильность любого m 1 k m генотипа σ (2GXE ) σ (2GXE ) 0. при gi gn Если 2САСi’0, то Кgi 0, что свидетельствует о преобладании компенсирующего эффекта взаимодействия генотип Х среда. При Kgi=1 эффекты компенсации и дестабилизации примерно равны. При Kgi>1 эффекты взаимодействия генотипа и среды совпадают по знаку с эффектами среды и варианса 2САСi возрастает по сравнению с 2САСi (дестабилизирующий эффект). При отборе стабильных генотипов следует отдавать предпочтение генотипам с Kgi<1. Коэффициент компенсации среды Кek можно установить по формуле K ek σ 2ДСС σ 2ДСС' k , где 2ДСС " 1 n 1 2 v i2 . n 1 i n 92 Варианса 2ДСС’ показывает, какова дифференцирующая способность любой среды при 2(GXE)ek = 2(GXE)em = 0. Интерпретация значений Kek аналогична Кgi. Как провокационный фон для отбора будет предпочтительна среда, в которой преобладают эффекты дестабилизации Kek>1. Главное прикладное значение выявленного нами эффекта компенсации / дестабилизации заключается в непредсказуемости стабильности генотипов или дифференцирующей способности сред при использовании вариансы 2GXE как критерия выделения генотипов (сред). Таким образом, вариансы САС и ДСС дают более объективную информацию о стабильности генотипов и средах как фонах для отбора по сравнению с вариансами взаимодействия генотипа и среды. 3.5 Морфофизиологические особенности развития растений кукурузы и потенциал в формировании многопочатковости Вопрос о развитии нескольких зачаточных початков на кукурузном растении имеет большое значение в решении проблемы создания урожайных гибридов с двумя и большим числом початков. При этом следует отметить, что растение, у которого созревает 2-3 початка и 3-4 початка находится в стадии молочно-восковой спелости является универсальным для получения зерна и питательного силоса. Такое растение лучше использует солнечную энергию. Результаты анализа показывают, что продуктивность у двухпочатковых растений не только не меньше, а наоборот, много больше массы початков, полученных от однопочатковых растений. По размеру первые початки от многопочатковых растений были в большинстве крупные и в целом не уступали початкам, полученным от однопочатковых растений (Керефов,1961). В связи с этим внимание селекционеров уже давно обращено к проблеме увеличения числа двухпочатковых растений, которые в условиях сильной кратковременной засухи компенсируют бесплодие верхнего початка, развитием нижнего (второго) початка. 93 Этой проблеме в 30-е годы уделял большое внимание В.Е. Козубенко (1955). Он показал, что растения, способные к синхронному развитию двух початков, обычно меньше страдают от засухи. В результате многолетней и кропотливой работы по селекции на двухпочатковость, В.Е. Козубенко (1955,1965) создал ряд буковинских гибридов, которые благодаря высокой урожайности и пластичности за короткое время заняли огромные площади в самых различных районах страны. Среди американских исследователей проблема двухпочатковости кукурузного растения занимает одно из ведущих мест. Как указывает Z.M. Josephson (1964) в Южных районах США усилился спрос на гибриды с ранним созреванием, а так как урожай раннеспелых форм часто бывает незначительным, то большое внимание при селекции таких гибридов уделяется формированию дополнительных початков. Такие гибриды при низкой норме дают, по мнению автора, при неблагоприятных условиях один початок на растении, и более одного, когда условия бывают благоприятными. Высокий урожай у однопочатковых растений можно получить лишь путем изменения величины початка и высокой нормой посева. Условия минерального питания и влажности в большинстве районов Юга США сильно изменяются от сезона к сезону, при этом бывает, что на больших площадях урожай оказывается под угрозой. В неблагоприятных условиях двухпочатковые гибриды призваны играть важную роль в получении высоких урожаев кукурузы. Как известно, кукуруза относится к семейству злаковые - Gramintae, род Zea L. и представлен одним видом Zea Mays L. - кукуруза. Это однолетнее растение, отличающееся от большинства однолетних злаков толстым стеблем, высоким ростом и крупными листьями.Корневая система мощная, мочковатая. Стебель кукурузы цилиндрической формы, высокий, сравнительно толстый.В зависимости от роста и условий выращивания растений высота его колеблется от 50 см до 7 м и более.Узлы и междурядья хорошо 94 выражены.Количество их варьирует от 8 до 42 и более. Наиболее короткие междоузлия расположены в нижней части, наиболее длинные - в верхней части растения. Лист кукурузы состоит из листового влагалища, широкой и длинной листовой пластинки и небольшого язычка в месте перехода влагалища в листовую пластинку, защищающую стебель от проникновения пыли, воды, микроорганизмов. Листья расположены по одному от каждого узла, поочередно с двух сторон стебля. Листья кукурузы можно разделить на четыре группы: зародышевые, настоящие стеблевые, верхушечные и листья обвертки початков. Кукуруза - однолетнее раздельнополое растение, формирующее три типа цветов: тычиночные, пестичные и значительно реже - обоеполые. Тычинки собраны в соцветие-метелку; зачатки пестиков в них рано редуцируются. Метелка формируется на верхушке главного стебля.В нормально развитой метелке бывает от 750 до 1500 колосков. Колоски двухцветковые. Цветок имеет две цветковые пленки и три тычинки. Пленки прозрачные, нередко пигментированы. К моменту созревания четырехгнездный пыльник расположен на длинной тычиночной нити, которая ко времени цветения еще больше удлиняется и выносит пыльцу наружу, за пределы цветковых пленок. Каждый пыльник содержит 1000-2500 пыльцевых зерен. Пестичные цветки образуют соцветия-початки, формирующиеся как верхушечные соцветия боковых побегов. Колоски на початках располагаются попарно, образуя ряды вдоль мясистого плотного стержня, который бывает разной толщины и плотности. Пестичный цветок состоит из хорошо выраженного пестика и двух крупных нефункционирующих лодикул. Пестик состоит из округлой завязи, длинного рыльца, заканчивающегося двумя лопастями. Как было отмечено выше, кукуруза раздельнополое растение. Метелка в своем развитии проходит девять этапов органогенеза, початок - двенадцать этапов. 95 Метелка в своем развитии проходит девять этапов органогенеза. Первый этап - недифференцированный конус нарастания, отчетливо различимый еще в зародыше зерновки. Второй этап - образование узлов и междоузлий зачаточного стебля. После проявления всходов конус нарастания представляет собой бугорок с широким основанием, у которого видны зачатки пяти-семи зародышевых листьев; это начало второго этапа. При этом конус несколько вытягивается в длину. На этом этапе определяется число будущих узлов и междоузлий стебля. При самых оптимальных условиях роста в последующем их обычно не бывает больше, чем заложилось на втором этапе. При неблагоприятных условиях для роста стебля часть междоузлий не разрастается, и во взрослом состоянии некоторые узлы могут оказаться настолько сближенными, что их иногда принимают за один узел. Число узлов, формирующихся на втором этапе, определяется особенностями гибрида и конкретными условиями развития и роста растений. На втором этапе закладываются также зачатки настоящих стеблевых листьев. К концу второго этапа органогенеза в пазухах зачаточных стеблевых листьев образуются конуса нарастания боковых побегов, а на их верхушке на последующих этапах формируются соцветия-початки. Таким образом, уже на втором этапе определяется число настоящих стеблевых листьев главного побега и число побегов второго порядка. Число узлов, как и число листьев стебля, зависит от наследственных особенностей сорта, так и от условий развития и роста растений на втором этапе. Чем длиннее у того или иного сорта кукурузы второй этап, тем больше образуется узлов и междоузлий стебля. Чем раннеспелое сорт, тем короче второй этап и тем меньше стеблевых узлов. По числу зачаточных листьев, сформировавшихся на втором этапе, к моменту перехода конуса нарастания к дифференциации зачаточной метелки можно уже с большой степенью достоверности определить, к какой группе по скороспелости относится изучаемый гибрид или линия кукурузы. Возможность столь ранней 96 диагностики длины вегетационного периода или, точнее, скороспелости или позднеспелости имеет существенное значение для селекции кукурузы. На втором этапе органогенеза следует также определять коэффициент органогенеза метамеров, который отражает интенсивность закладки органов (листьев, колосков, цветков, зерновок в початках) в единицу времени. Определение этих коэффициентов, так же как анализ корреляции между продолжительностью этапа и условием среды, характеризует потенциальную продуктивность растения данного гибрида, линии в разных экологогеографических зонах. На втором этапе узлы сильно сдвинуты, а междоузлия укорочены; общая высота стебля в связи с этим не превышает 1-2 см и лишь благодаря росту первых трех-пяти (иногда семи) листьев общая высота растения часто достигает 40-70 см и даже более, если измерять ее до кончиков листьев. Третий этап органогенеза метелки характеризуется значительным ростом в длину конуса нарастания и сегментацией средней ее части. На последующих этапах сегменты конуса развиваются в членики главной оси метелки. На третьем этапе у основания конуса нарастания формируются боковые ветви метелки. Чем дольше находится растение на третьем этапе, тем больше образуется члеников соцветия и тем больше может сформироваться колосков на главной оси метелки. При переходе конуса нарастания верхушечного соцветия стебля (метелки) на третий этап начинают разрастаться самые нижние (1,2 и 3-е) междоузлия стебля. Однако длина их обычно превышает 0,5-1,0 см и общая высота стебля при выходе кукурузы в трубку имеет не более 1,5-3,0 см. Четвертый этап - формирование колосковых лопастей в метелке, которые у кукурузы быстро раздваиваются, образуя два колоска. На этом этапе определяется возможное число колосков в метелке. При переходе к четвертому этапу начинается ускоренный рост 4-6-го междоузлий стебля. На этом этапе прирост стебля в высоту измеряется уже в см, примерно два-три см в сутки. В южных районах среднесуточный прирост 97 достигает трех-четырех см и больше, в северных же районах при неблагоприятных для роста температурах он редко превышает два-три см. Пятый этап характеризуется формированием цветков в колосках метелки. Каждый колосковый бугорок дает по два неравных выроста, образующих два цветковых бугорка, что специфично для колоска метелки. Первоначально на этом этапе цветки развиваются как обоеполые. У основания цветковых бугорков образуются две цветковые пленки и три тычинки. Из средней части цветкового бугорка появляется пестичный бугорок, однако вскоре он отстает в развитии и отмирает, из тычиночных бугорков формируются тычинки. Переход к пятому этапу в еще большей степени усиливает рост средних междоузлий стебля. Среднесуточный прирост растений в высоту в зависимости от сорта и условий произрастания достигает 4-6 см и более. На шестом этапе в пыльниках формируется большое количество материнских клеток пыльцы. В годы с дефицитом влаги в период прохождения растениями шестого этапа органогенеза резко уменьшается количество фертильной пыльцы, что обусловливает низкую озерненность початков и снижение урожая. Завершение шестого этапа органогенеза метелки ведет к значительному, почти скачкообразному усилению роста стебля теперь уже за счет верхних междоузлий (10-11-го у скороспелых сортов, 10-15-го у средне - и позднеспелых сортов). В тех случаях, когда условия температуры и влажности способствуют росту растений, особенно после завершения шестого этапа, среднесуточный прирост за декаду превышает 60-100 см. На седьмом этапе усиленно растут покровные органы колоска, прикрывающие органы цветка, растут в длину все членики соцветия, вытягивают тычиночные нити, завершаются процессы формирования половых клеток. Особенно интенсивно растут в это время самые верхние междоузлия стебля. 98 Восьмой этап - взметывание метелки, которая очень быстро вносится за пределы влагалища верхнего листа. Этот этап совпадает с одноименной фазой развития кукурузы, обычно регистрируемой фенологическими наблюдениями. Девятый этап - цветение метелки - характеризуется еще более усиленным ростом тычиночных нитей, выносящих пыльники наружу, после чего пыльники лопаются и созревшая пыльца высыпается из них. После чего мужское соцветие отмирает и засыхает. Початок в своем развитии проходит двенадцать этапов органогенеза. На I этапе недифференцированный конус нарастания бокового побега (початка) очень трудно отличить от конуса нарастания метелки. Он представляет собой бугорок с широким основанием и гладкой поверхностью, только в отличие от первичного конуса нарастания у его основания отсутствуют зачатки зародышевых листьев, которые закладываются у зародышевого побега еще в почке семени. II этап - начало вытягивания конуса нарастания. В это время в пазухах листьев закладываются зачатки влагалищ листьев, которые по мере развития побега и соцветия (початка) превращаются в листья обвертки. Продолжительность второго этапа варьирует от 15 до 40 дней (в зависимости от сорта). На III этапе происходит дальнейшее вытягивание конуса нарастания и его сегментация. Уже можно подсчитать число потенциальных колосков в рядах. IV этап - образование колосковых лопастей и формирование из каждой лопасти двух колосковых бугорков. Чем лучше условия для роста на четвертом этапе, тем больше формируется вдоль колоса колосковых лопастей и тем больше вероятность образования крупного длинного початка с большим числом зерен в рядах. В зависимости от сорта и метеорологических условий продолжительность четвертого этапа варьирует от 6 до 12 дней. Известно, что большинство сортов кукурузы относится к растениям короткого дня; чем южнее место происхождения растений, тем быстрее в 99 условиях 10-12 часового фотопериода они проходят третий и четвертый этапы органогенеза. V этап органогенеза початка - дифференциация колосков на два неравных цветковых бугорка (верхний значительно больше нижнего). На каждом цветковом бугорке с трех сторон появляются выпуклости, в последующем превращающиеся в пыльниковые бугорки, а в центре образуется бугорок, дающий начало пестику. Таким образом, на пятом этапе в початках, как и в метелках, развиваются зачатки обоеполых цветков. Однако уже в середине этого этапа пестичный бугорок заметно обгоняет в росте пыльниковые бугорки. На верхушке пестика появляется вогнутость и затем образуются лопасти рыльца. Тычиночные бугорки прекращают свой рост и на последующих этапах органогенеза обнаруживаются лишь в виде бесформенных небольших образований. Из двух цветков в колосках початка развивается один; второй на пятом этапе начинает редуцироваться. VI этап органогенеза початка - формирование генеративных органов. Наблюдается удлинение завязи, усиленно растут столбики пестика, появляется опушенность и дольчатость рыльца. Оптимальные условия произрастания растений на этом этапе определяют степень фертильности цветков початка. На VII этапе в длину и в диаметре усиленно разрастается початок, растут нити рылец, завершается в основном процесс формирования генеративных органов цветка. На VIII этапе нити выходят из обвертки листьев, окружающих початок. На этом этапе часть цветков при попадании на рыльца чужой пыльцы может оплодотвориться, но процент таких цветков невелик. На IX этапе органогенеза осуществляются процессы цветения, опыления, оплодотворения. Цветение в зависимости от сорта длится от 10 до 18 дней. На длительность девятого этапа влияют метеорологические условия: при очень жаркой погоде продолжительность цветения меньше, так же как при экстремально низких температурах. Длина рылец в среднем (над обверткой) 510 см, у некоторых сортов до 15 см. 100 X этап - формирование зародыша и рост в длину зерновки, начало молочной спелости. XI этап совпадает с фазой молочной спелости и накоплением питательных веществ. XII этап - превращение питательных веществ в запасные, обезвоживание зерновки до 10-16%; этап завершается полной спелостью зерна. Тысячелетняя практика возделывания кукурузы в районах, где эта культура является важнейшим поставщиком зерна, создало представление о том, что кукурузное растение однопочатковое и улучшение его продуктивных свойств (числа рядов увеличением зерен, числа зерен в ряду и масса зерна) связано с урожайности. По-видимому, в условиях недостаточного плодородия почвы, при дефиците влаги в критические периоды жизненного цикла, народная селекция отбирала растения, способные возможно быстрее формировать хотя бы один, но зато полноценный початок. В последующем селекционеры в России и за рубежом, создавшие новые типы кукурузного растения - высокопродуктивные зубовидные сорта, а затем межсортовые, сортолинейные и межлинейные гибриды, стремилась отбирать растения с одним выровненным крупным початком. Урожай с таких растений удобно было убирать вручную. Селекция в этом направлении достигала больших успехов. При благоприятных условиях, на фоне высокого плодородия и оптимальной влагообеспеченности однопочатковые межлинейные сорта и гибриды, селекция которых ведется во всем мире, способны давать урожай более 100ц с гектара и этот урожай еще далеко не предел. Следует особо подчеркнуть, что селекционерам в процессе длительного отбора удалось изменить характер формирования початков, которые являются побегами ветвления. При этом самые верхние зачаточные початки проходят этапы органогенеза быстрее нижних, что приводит к реализации закона развития органов в онтогенезе: отставшие органы приостанавливают развитие и редуцируются (отмирают), если разрыв в их формировании превышает два-три этапа. (Куперман,1959). 101 Вместе с тем, многие сорта и гибриды при замедлении развития верхнего початка (низкая температура, затемнение нижних зачаточных побегов и др.), продолжают дифференциацию и у таких растений мешает формироваться по два хозяйственно-годных початка. Однако второй початок значительно отстает от верхнего по элементам продуктивности. В некоторых случаях число початков с зерном может быть и больше - от трех до пяти. У многих местных сортов, распространенных в северных или горных регионах при благоприятных погодных условиях процент двухпочатковых растений достигает 30-50 и более. Какие биологические особенности развития и роста кукурузного растения можно использовать при селекции многопочатковых форм? Остановимся на биологических закономерностях формирования генеративных органов у кукурузы. Как показали исследования многих ученых (Куперман, 1953, Шевелуха,1958, Керефов,1961, Керефова,1961 и др.), на самых ранних этапах органогенеза растений кукурузы, вслед за формированием зачаточных листьев, в их пазухе вдоль главного стебля, закладываются оси второго порядка - боковые побеги. Каждый из них способен на своей верхушке формировать соцветие. С переходом конуса нарастания главного стебля к третьему этапу органогенеза прекращается формирование новых листовых валиков, а в пазухах самых верхних четырех-пяти листьев боковые побеги не закладываются. От того, какие условия создаются для растения на втором этапе органогенеза, зависят темпы заложения боковых побегов, синхронный или асинхронный характер их развития. На III-IV этапах в зависимости от условий питания, влагообеспеченности и освещенности у одного и того же сорта или гибрида изменяется число сегментов, определяющих возможное число цветков вдоль оси соцветия. На V-VI этапах определяется число рядков в початках, степень их выполненности и, следовательно, длина початка. От того, насколько 102 благоприятны будут условия в этот период, в значительной мере зависит количество нормально развитых цветков в початке, а следовательно, и будущих зерен в початке. На VII-VIII этапах завершаются процессы формирования генеративных органов. Известно, что в зависимости от влагообеспеченности в период, предшествующий за 10-20 дней цветению метелки кукурузы, в значительной степени определяется судьба урожая. Важное значение имеют также условия жизни кукурузы на всех последующих этапах органогенеза - на IX в период ее цветения, на X-XII в период формирования, налива и созревания зерна. Початок закладывается всегда в определенном порядке - снизу вверх и их развитие в начале онтогенеза идет в такой же последовательности. Однако, впоследствии из-за возрастной разнокачественности побегов, а также сильного затемнения верхними ярусами листьев, нижние пазушные побеги, дойдя до третьего либо четвертого этапа органогенеза, очень быстро начинают отставать в развитии и особенно в росте от верхних побегов. Все это приводит к тому, что наибольшую возможность для ускорения развития получают верхние пазушные почки. При этом самая верхняя почка обгоняет в развитии нижележащие и из нее формируется продуктивный початок, достигающий наиболее высокой степени зрелости. Между темпами прохождения растениями второго и третьего этапов органогенеза, а именно формированием листьев, формированием веточек в метелке и синхронным развитием двух и большего числа верхних пазушных почек существует прямая положительная зависимость. Таким образом, еще на самых ранних этапах онтогенеза определяется способность к формированию на главном стебле кукурузного растения двух и большего числа початков. В.Е. Козубенко (1955, 1961) считал необходимым вести массовый отбор двухпочатковых растений по увеличенному числу веточек в метелках (путем удаления метелок до цветения у однопочатковых растений). 103 Опыты, проведенные Л.Ф. Бауманом (1964) свидетельствуют о влиянии изоляции одного из початков на крупность другого, которое состоит в том, что пластические вещества как бы перемещаются из одного початка в другой, причем в большей степени это наблюдается от первого початка во второй (нижний), чем в противоположном направлении. Опыт с дефолиацией листьев, осуществленный автором, состоит в удалении пяти или шести листовых пластинок с каждого растения в период выбрасывания рылец и в выяснении значения каждого яруса в формировании продуктивных початков. В число удаляемых листьев попадали: один из узла первого (верхнего) початка, до трех листьев и выше и два ниже этого узла. За исключением последнего варианта удаления листовых пластинок в указанных границах их местоположение было произвольным. Урожай первого початка снижается незначительно при удалении 4-5 листьев с одного растения, у второго же початка зерновки редуцируются на ранних этапах налива и он теряет хозяйственную продуктивность. Таким образом, и в зарубежной селекционной практике, много внимания уделяется двухпочатковости, при этом, приводятся многочисленные данные, свидетельствующие о большом значении изучения условий произрастания на проявление двухпочатковости у гибридов кукурузы. Л.Ф. Бауман (1964) приходит к выводу о том, что поскольку тенденция к образованию двух початков на одном стебле наблюдается у местных сортов кукурузы Юга США, то, очевидно, проявлению этих признаков должны благоприятствовать некоторые факторы внешней среды и направление отбора в этих условиях. Исходный генотип, продолжительность вегетационного периода, температура воздуха и почвы, длина дня, агротехнические условия и т. д. могли быть в числе влияния факторов. Малая густота стояния также способствует формированию двух и многопочатковых растений кукурузы. Появление рылец у вторых початков, как установлено у двухпочатковых форм, наступает одновременно или несколько позже, чем у первых. По данным H.C. Kincer и Z.M. Gosephson (1962) засуха и другие неблагоприятные факторы, 104 действующие в период выбрасывания рылец, могут затормозить развитие вторых початков. Последующее наступление благоприятных факторов уже не способствует восстановлению урожая, вследствие отсутствия вторых початков. Почему же усилился интерес в 60-е годы к двух- и многопочатковой кукурузе? Весьма интересны высказывания американского ученого Е.Г. Ринке (1964) относительно селекции на повышение урожайности кукурузы. Он указывает, что современные гибриды кукурузы не исчерпывают всех возможностей кукурузного растения и являются своего рода компромиссом. На вопрос, почему гибриды в большинстве случаев дают только один початок, Е.Г. Ринке (1964) пишет: “Не происходит ли это оттого, что растения способны выдержать тяжесть только одного початка? По-видимому, это объясняется тем, что свободноопыленные сорта, от которых были получены современные гибриды, в свою очередь были выведены под влиянием отбора, исключившего гены множественности початков, которые никогда уже не были введены вновь в генотип. Каковы же были бы наши гибриды, если четыре родительские линии несли признаки двухпочатковости? Давайте вернем многопочатковость нашим растениям, уменьшим густоту стояния и тем самым снизим расход воды на единицу площади там, где в этом нуждаются”. Л.В. Бауман (1964), ссылаясь на собственные данные, указывает также на ряд признаков, сопутствующих однопочатковости или многопочатковости. Для гибридов, образующих крупные первые початки, характерна склонность к запаздыванию в образовании второго початка. Условия, благоприятствующие образованию второго початка, способствуют большей его крупности, а также к большему количеству вторых початков. В работе этого ученого приводятся данные по десяти гибридам, из которых следует, что в среднем доля урожая вторых початков в общем урожае у этих гибридов составляет 25% при колебаниях от 14 до 35%. В среднем 59% всех растений образовали вторые початки при колебаниях в пределах от 38 до 85%. Колебания в величине урожая равнялись 33г на одно растение для первых 105 початков и 68г на одно растение для вторых. Выход зерна у первого и второго початков составил соответственно 85,2 и 84,0%. Ученые КБГУ, начиная с 60-х годов, получили данные, характеризующие морфологические особенности большого коллекционного материала ВИРа, в том числе и развитие початков на растении. Было установлено, что у растений, склонных к развитию многостебельной, а также многопочатковой одностебельной кукурузы верхние зачаточные початки уже на ранних этапах органогенеза (Куперман и др., 1959) развиваются синхронно и завершают онтогенетический цикл одновременно. Более того, у них наблюдаются определенные закономерности в формировании листовой поверхности, в линейных размерах очередных междоузлий. Более того, отмечена различная ферментативная активность перосикдазы в зачаточных початках в связи со степенью их дифференцировки. Наконец, полученные результаты по содержанию нуклеиновых кислот в пазушных почках, а затем при их развитии в зачаточные початки. Результаты (1949,1962,1985), исследований, М.К.Керефовой (1961), полученных Э.М.Гидовой К.Н.Керефовым (1983,1985,1997), Л.М.Шагировым (1982,1985,1987), Л.Ж.Апшевой (1982,1996) и другими свидетельствуют о том, что по морфофизиологическим данным можно прогнозировать уровень развития многопочатковости у создаваемого исходного материала уже на ранних этапах органогенеза и устанавливать потенциал продуктивности линий и гибридов кукурузы. Исследования ученых во многих кукурузосеющих странах показали, что выведение двух и многопочатковых гибридов кукурузы вполне возможно, при этом необходимо иметь в виду наследственные особенности исходных образцов, а также учитывать условия их выращивания. По мнению W.Russell, A.Hallauer (1968), Т.С.Чалык, М.И.Боровского (1981), П.Ф.Клочко (1987), многопочатковые гибриды могут поддерживать высокую урожайность кукурузы двумя путями: 1- снижением бесплодия растений при загущении и 2- компенсацией снижения густоты посева 106 увеличением числа початков на растении. Благодаря этому, двухпочатковые гибриды обеспечивают более высокие и стабильные урожаи зерна в различных условиях выращивания (Джозефсон, 1964; Russell,1968; Соколов, Дзюбецкий, 1972; Соколов, 1976; Казанков, Пономаренко, 1977; Соколов, Дзюбецкий, Костюченко, 1979; Трифунович, Ристанович, 1979; Фесенко, 1979-1981; Томов, Митев, 1979; Шмараев, 1981,1986; Клочко, Климов, 1985). В других работах установлено, что увеличение многопочатковости не всегда сопровождается ростом их продуктивности. Так, W.Russell (1968) наивысший урожай зерна получил при возделывании в благоприятных условиях гибридов кукурузы, полученных путем скрещивания однопочатковых линий с двухпочатковой формой, хотя при высокой густоте стояния наиболее урожайными были гибриды от скрещивания только двухпочатковых линий. Отбор на двухпочатковость в сортах, а также включение в гибридизацию двухпочатковых с высокой комбинационной способностью линий кукурузы повышает пластичность создаваемых форм. Двухпочатковые линии и гибриды в благоприятные по увлажнению годы более продуктивны за счет формирования на растениях вторых и даже третьих початков, а в неблагоприятные - в меньшей степени снижают урожай по сравнению с однопочатковыми. Еще В.Е.Козубенко (1965) установил высокую корреляцию между многопочатковостью сортов и гибридов кукурузы и засухоустойчивостью. При засухе однопочатковые гибриды часто имеют бесплодные растения, тогда как многопочатковые образуют хотя бы по одному початку. Он считал, что самым доступным способом повышения засухоустойчивости у урожайности является отбор на многопочатковость. При этом отбор следует проводить в засушливые годы, когда большинство растений формирует только по одному початку. На положительную связь между многопочатковостью и засухоустойчивостью указывают также M.Szopko, M.Nagy, E.Papp, M.Radi (1971), Н.Ф.Маланущенко (1972). 107 Высокую эффективность отбора многопочатковых растений при селекции на продуктивность показал J.Lonnquist (1967). На изолированном участке он отбирал двухпочатковые растения и одновременно проводил отбор растений по зерновой продуктивности. Установлено, что при отборе на двухпочатковость продуктивность на один цикл отбора возрастает на 6,28%, тогда как отбор непосредственно по продуктивности растений повышает продуктивность популяции всего на 3,8%. Таким образом, четырехкратный отбор на многопочатковость повышает продуктивность популяции в такой степени, как и 10-кратный отбор непосредственно по продуктивности растений. Отбор по числу початков проще, и может проводиться более интенсивно, однако наибольший эффект можно получить при использовании обоих признаков: число початков и продуктивность одного растения. На высокую эффективность отбора по числу початков указывают также J.Mareck, C.Gardner (1979). По их данным, 10 циклов отбора на многопочатковость также повышают урожай популяции, как и 15 циклов отбора по продуктивности отдельных растений. При использовании в качестве признака отбора “число початков” у новых популяций не изменяются влажность зерна при уборке, высота растений и высота прикрепления початка. В качестве признака, используемого для ранней идентификации растений, склонных к формированию вторых початков, E.Paterniani (1981) рекомендует брать метелку. Чем меньше метелка у растений, тем выше у них склонность к образованию вторых початков. Многопочатковость растений обусловливается их способностью перераспределять урожай сухого вещества зерна между 1-м и 2-м початками. (Prior, Russell, 1976). Если поврежден или удален 1-й початок, то урожай зерна формируется за счет 2-го початка и наоборот. У однопочатковых форм вторые початки неспособны формировать существенный урожай при изолировании или удалении 1-го початка. Истинно однопочатковые гибриды даже при изреженном посеве могут давать не более одного початка на растение (Джозефсон, 1964). У двухпочатковых растений первые и вторые початки 108 развиваются синхронно. Если интервал в появлении почек или нитей початков большой, то верхний початок доминирует и подавляет нижнего (Harris, Moll, Stuber, 1976; Фесенко, 1980). Число початков в конце концов, определяется величиной интервала и в развитии смежных верхних початков. Результаты исследований, проведенных В. Трифунович, Д. Ристанович (1977) по характеристике урожая гибридов кукурузы и его стабильности показывают, что многопочптковые гибриды обладают большей стабильностью урожая при различных густотах стояния, чем однопочатковые гибриды. С увеличением густоты стояния величина урожая уменьшается у одно- и двухпочатковых гибридов. Для гибридов, образующих крупные первые початки,характерна склонность к допаздыванию в образовании второго початка. Условия, благоприятствующие образованию второго початка, способствуют большей его крупности, а также и большему количеству вторых початков. Условия внешней среды определяют крупность и количество вторых початков. Таким образом, вторые початки в значительной степени определяют повышенный урожай у двухпочатковой кукурузы. Испытания урожайности многопочатковых гибридов показали, что адаптивность этих гибридов возникает из их способности формировать более одного початка на растение в благоприятных условиях, и лишь небольшой процент беспочатковых растений при неблагоприятных условиях. Следовательно, при возделывании гибридов этого типа в изменчивых условиях выращивания снижается риск недобора урожая и повышается стабильность урожаев. Некоторые исследования показывают, что многопочатковые формы имеют большие генетические возможности для высокой продуктивности, которая проявляется на большой густоте посева. По другим исследованиям многопочатковые гибриды лучше усваивают влагу и питательные вещества, из-за чего, несмотря на большую густоту,растения образуют нормально развитые початки; однопочатковые формы при той же густоте дают бесплодные растения. В посевах кукурузы всегда бывает больше 109 двухпочатковых растений по краям, или по середине, где растения более защищены. По данным П.Ф. Клочко, И.В. Фесенко (1983) у гибридов, формирующих при небольшой густоте по 2,00-2,24 початка на растении, с увеличением плотности посева до 60 тыс./га растения сохраняется значительное количество 1,43-1,70 вторых початков. Двухпочатковые гибриды в этих опытах значительно превысили однопочатковые по урожаю. При небольшой густоте стояния у них за счет 2-х и 3-х початков до 51% в общем урожае. С увеличением густоты стояния растений до 60 тыс./га урожай снижается. Вместе с тем авторы отмечают, что увеличение многопочатковости гибридов не всегда сопровождается ростом их урожайности. Урожай зерна комплексный показатель, зависящий от количества початков на единице площади их крупности. У однопочатковых гибридов продуктивность растений составляет масса зерна с верхних початков, тогда как у двухпочатковых - с верхних и нижних. Масса зерна верхних початков двухпочатковых гибридов меньше массы зерна верхних початков однопочатковых при условиях испытания. Несмотря на сельскохозяйственном важность использования производстве, создание двухпочатковости их пока в сдерживается ограниченным генофондом двухпочатковых форм. Селекция двухпочатковых гибридов сопряжена с определенными трудностями, обусловленными незначительным количеством исходных форм, обладающих данным признаком, а также большим модифицирующим влиянием на него внешних факторов, затрудняющих отбор двухпочатковых образцов Многопочатковость у растений кукурузы обусловлена ее генетическим и эволюционным происхождением. Ученые, изучающие происхождение и эволюцию кукурузы, как было указано выше, полагают, что не так давно растение кукурузы было кустистым и многопочатковым. Этот признак был постепенно утерян в ходе эволюции и селекции, но был в определенной 110 степени сохранен у эволюционно молодых, более примитивных популяций. В результате длительного искусственного отбора на однопочатковость, который был связан с удобствами ручной уборки. Современные гибриды и сорта в подавляющем большинстве случаев являются однопочатковыми. Поэтому создание самоопыленных двухпочатковых линий строится на использовании различных редко привлечением встречающихся большого разнообразия источников обычных двухпочатковости однопочатковых с форм кукурузы. В качестве исходного материала для создания двухпочатковых линий и для получения гибридов используются выделенные из мировой коллекции линии с четко выраженными признаками двухпочатковости. Как показали исследования А.Ф.Казанкова, Л.А.Пономаренко (1977) - это линии американской селекции: А632, В59, R223, В164; Французские - F49, F64, F432; Югославские - ZPL32/613, ZPL 153/23. Для получения исходного материала в качестве доноров были взяты следующие многопочатковые формы: многопочатковый позднеспелый сорт перловой кукурузы Леди Фингер, многопочатковые популяции из Румынии: 7098 А/72, 7094 А/72, 7112 А/72 - позднеспелого типа, развивают на растении 1,5-2 початка; многостебельно-многопочатковые популяции из Грузии селекции Г.М.Папалашвили(1974); чехословацкие линии, производные от скрещивания кукурузы с теосинте ТС1, ТС2, ТС3, ТС4, ТС5, ТС6, ТС7 среднеспелого типа, развивают 2-3 початка с мелким зерном. В результате направленного отбора и инбридинга были выделены двухпочатковые линии второго цикла селекции. Несмотря на важность многопочатковости в повышении зерновой продуктивности и ее стабильности, знания о системе генетического контроля этого признака ограничены. По мнению Duvick (1974), Hallauer (1974), многопочатковость отвечает определению порогового признака и является количественным признаком. Duvik (1974) опубликовал изучения связи между многопочатковостью и степенью бесплодности растений при высоких густотах стояния.Он считал,что 111 многопочатковые типы следует выращивать в условиях интенсивной культуры. Hallauer (1974) вычислял наследуемость многопочатковости в F2 и беккроссных популяциях в скрещиваниях между линиями, известными своими различиями по числу початков. Опыт проводился при трех густотах стояния(19.800,39.700 и 59.300 растений/га) на семи простых гибридах восьми линий. По каждой густоте стояния вычисляли наследуемость числа початков и весовой индекс числа початков. Наследуемость,вычесленная по опытам с учетом гибридов и густот, составила 27,4% для весового индекса числа початков и 24,2% для числа початков. По многопочатковости депрессия при инцухте, так же как и гетерозис, при скрещивании самоопыленных линий, не проявляется (Джозефсон, 1964; Гурьев, 1969). По данным Н.Ф. Меланущенко (1972), Е.А.Климова (1982,1985,1986), по числу початков гибриды занимали промежуточное положение между родительскими формами, приближаясь к худшей. Преимущественное влияние аддитивных генных эффектов, по сравнению с доминированием, на развитие признака “число початков” отмечают A.Monteagudo и E.Alcaraz (1968), а такие как К. Христов, П.Христова (1978), А.Ф. Казанков, Л.А.Пономаренко (1979), Л.В.Павлова (1987). Значение аддитивных генов в контроле числа початков на растении возрастает при благоприятных условиях выращивания и при скрещивании родственных линий, свидетельством чему является значительное увеличение отношения ОКС/СКС (Mariani, Desiderio, 1975; Ristanovic, 1979). 3.6 Морфофизиологические этапы онтогенеза у самоопыленных линий кукурузы Вопрос о развитии нескольких зачаточных початков на кукурузном растении имеет большое значение в решении проблемы создания урожайных гибридов с двумя и большим числом початков. При этом следует отметить, что растение, у которого созревает 2-3 початка и 3-4 початка находится в стадии молочно-восковой спелости является универсальным для получения зерна и 112 питательного силоса. Такое растение лучше использует солнечную энергию. Основанием для нового типа популяции и гибридов, как было указано выше, служит анализ процессов формирования генеративных и вегетативных органов кукурузного растения, а также наблюдения за тенденциями их развития в условиях высокого агрофона, внесения удобрений и проведения полива. Вместе со значительным ростом продуктивности кукурузы, которая проявляется на высоком агрофоне в усилении мощности растений, в увеличении размеров початка (числа рядков и зерен в рядках), в повышении веса семян и в значительном увеличении выхода зерна с одного початка у многих популяций, а также у некоторых гибридов и самоопыленных линий наблюдается формирование двух, иногда трех и даже четырех зрелых початка на главном побеге. В то время как одни популяции - Кабардинская белая Зубовидная, Местная белая кремнистая, гибриды ВИР-42, самоопыленные линии ВИР-44, ВИР-29 и др.- образуют в условиях высокого агрофона до 1530% двухпочатковых растений, у других, не менее урожайных таких, как ВИР156, Одесская-10, второй початок обычно редко достигает полной зрелости, чаще всего второй початок приостанавливается в своем развитии на 6-7 этапах органогенеза. Следует отметить, что размеры второго початка формируются у различных форм в неодинаковой степени. Результаты анализа показывают, что продуктивность у двухпочатковых растений не только не меньше, а наоборот, много больше массы початков, полученных от однопочатковых растений. По размеру первые початки от многопочатковых растений были в большинстве крупные и в целом не уступали початкам, полученным от однопочатковых растений. В связи с этим внимание селекционеров уже давно обращено к проблеме увеличения числа двухпочатковых растений, которые в условиях сильной кратковременной засухи компенсируют бесплодие верхнего початка, развитием нижнего (второго) початка. Интерес к этой проблеме в последние годы проявляли такие ученые как А.Ф.Казанков, Л.А.Пономаренко (1987). Среди американских исследователей проблема двухпочатковости 113 кукурузного растения занимает одно из ведущих мест. Такие гибриды при низкой норме дают, по мнению автора, при неблагоприятных условиях один початок на растении, и более одного, когда условия бывают благоприятными. Высокий урожай у однопочатковых растений можно получить лишь путем изменения величины початка и высокой нормой посева. Условия минерального питания и влажности в большинстве районов Юга США сильно изменяются от сезона к сезону, при этом бывает, что на больших площадях урожай оказывается под угрозой. В неблагоприятных условиях двухпочатковые гибриды призваны играть важную роль в получении высоких урожаев кукурузы. Как известно, кукуруза относится к семейству злаковые - Gramintae, род Zea L. и представлен одним видом Zea Mays L. - кукуруза. Это однолетнее растение, отличающееся от большинства однолетних злаков толстым стеблем, высоким ростом и крупными листьями.Корневая система мощная, мочковатая. Стебель кукурузы цилиндрической формы, высокий, сравнительно толстый.В зависимости от роста и условий выращивания растений высота его колеблется от 50 см до 7 м и более.Узлы и междурядья хорошо выражены.Количество их варьирует от 8 до 42 и более. Наиболее короткие междоузлия расположены в нижней части, наиболее длинные - в верхней части растения. Лист кукурузы состоит из листового влагалища, широкой и длинной листовой пластинки и небольшого язычка в месте перехода влагалища в листовую пластинку, защищающую стебель от проникновения пыли, воды, микроорганизмов. Листья расположены по одному от каждого узла, поочередно с двух сторон стебля. Листья кукурузы можно разделить на четыре группы: зародышевые, настоящие стеблевые, верхушечные и листья обвертки початков. Кукуруза - однолетнее раздельнополое растение, формирующее три типа цветов: тычиночные, пестичные и значительно реже - обоеполые. 114 Тычинки собраны в соцветие-метелку; зачатки пестиков в них рано редуцируются. Метелка формируется на верхушке главного стебля.В нормально развитой метелке бывает от 750 до 1500 колосков. Колоски двухцветковые. Цветок имеет две цветковые пленки и три тычинки. Пленки прозрачные, нередко пигментированы. К моменту созревания четырехгнездный пыльник расположен на длинной тычиночной нити, которая ко времени цветения еще больше удлиняется и выносит пыльцу наружу, за пределы цветковых пленок. Каждый пыльник содержит 1000-2500 пыльцевых зерен. Пестичные цветки образуют соцветия-початки, формирующиеся как верхушечные соцветия боковых побегов. Колоски на початках располагаются попарно, образуя ряды вдоль мясистого плотного стержня, который бывает разной толщины и плотности. Пестичный цветок состоит из хорошо выраженного пестика и двух крупных нефункционирующих лодикул. Пестик состоит из округлой завязи, длинного рыльца, заканчивающегося двумя лопастями. Как было отмечено выше, кукуруза раздельнополое растение. Метелка в своем развитии проходит девять этапов органогенеза, початок - двенадцать этапов. Метелка в своем развитии проходит девять этапов органогенеза. Первый этап - недифференцированный конус нарастания, отчетливо различимый еще в зародыше зерновки. Второй этап - образование узлов и междоузлий зачаточного стебля. После проявления всходов конус нарастания представляет собой бугорок с широким основанием, у которого видны зачатки пяти-семи зародышевых листьев; это начало второго этапа. При этом конус несколько вытягивается в длину. На этом этапе определяется число будущих узлов и междоузлий стебля. При самых оптимальных условиях роста в последующем их обычно не бывает больше, чем заложилось на втором этапе. При неблагоприятных условиях для роста стебля часть междоузлий не разрастается, и во взрослом состоянии некоторые узлы могут оказаться настолько сближенными, что их иногда 115 принимают за один узел. Число узлов, формирующихся на втором этапе, определяется особенностями гибрида и конкретными условиями развития и роста растений. На втором этапе закладываются также зачатки настоящих стеблевых листьев. К концу второго этапа органогенеза в пазухах зачаточных стеблевых листьев образуются конуса нарастания боковых побегов, а на их верхушке на последующих этапах формируются соцветия-початки. Таким образом, уже на втором этапе определяется число настоящих стеблевых листьев главного побега и число побегов второго порядка. Число узлов, как и число листьев стебля, зависит от наследственных особенностей сорта, так и от условий развития и роста растений на втором этапе. Чем длиннее у того или иного сорта кукурузы второй этап, тем больше образуется узлов и междоузлий стебля. Чем раннеспелее сорт, тем короче второй этап и тем меньше стеблевых узлов. По числу зачаточных листьев, сформировавшихся на втором этапе, к моменту перехода конуса нарастания к дифференциации зачаточной метелки можно уже с большой степенью достоверности определить, к какой группе по скороспелости относится изучаемый гибрид или линия кукурузы. Возможность столь ранней диагностики длины вегетационного периода или, точнее, скороспелости или позднеспелости имеет существенное значение для селекции кукурузы. На втором этапе органогенеза следует также определять коэффициент органогенеза метамеров, который отражает интенсивность закладки органов (листьев, колосков, цветков, зерновок в початках) в единицу времени. Определение этих коэффициентов, так же как анализ корреляции между продолжительностью этапа и условием среды, характеризует потенциальную продуктивность растения данного гибрида, линии в разных экологогеографических зонах. На втором этапе узлы сильно сдвинуты, а междоузлия укорочены; общая высота стебля в связи с этим не превышает 1-2 см и лишь благодаря росту первых трех-пяти (иногда семи) листьев общая высота растения часто достигает 40-70 см и даже более, если измерять ее до кончиков листьев. 116 Третий этап органогенеза метелки характеризуется значительным ростом в длину конуса нарастания и сегментацией средней ее части. На последующих этапах сегменты конуса развиваются в членики главной оси метелки. На третьем этапе у основания конуса нарастания формируются боковые ветви метелки. Чем дольше находится растение на третьем этапе, тем больше образуется члеников соцветия и тем больше может сформироваться колосков на главной оси метелки. При переходе конуса нарастания верхушечного соцветия стебля (метелки) на третий этап начинают разрастаться самые нижние (1,2 и 3-е) междоузлия стебля. Однако длина их обычно превышает 0,5-1,0 см и общая высота стебля при выходе кукурузы в трубку имеет не более 1,5-3,0 см. Четвертый этап - формирование колосковых лопастей в метелке, которые у кукурузы быстро раздваиваются, образуя два колоска. На этом этапе определяется возможное число колосков в метелке. При переходе к четвертому этапу начинается ускоренный рост 4-6-го междоузлий стебля. На этом этапе прирост стебля в высоту измеряется уже в см, примерно два-три см в сутки. В южных районах среднесуточный прирост достигает трех-четырех см и больше, в северных же районах при неблагоприятных для роста температурах он редко превышает два-три см. Пятый этап характеризуется формированием цветков в колосках метелки. Каждый колосковый бугорок дает по два неравных выроста, образующих два цветковых бугорка, что специфично для колоска метелки. Первоначально на этом этапе цветки развиваются как обоеполые. У основания цветковых бугорков образуются две цветковые пленки и три тычинки. Из средней части цветкового бугорка появляется пестичный бугорок, однако вскоре он отстает в развитии и отмирает, из тычиночных бугорков формируются тычинки. Переход к пятому этапу в еще большей степени усиливает рост средних междоузлий стебля. Среднесуточный прирост растений в высоту в зависимости от сорта и условий произрастания достигает 4-6 см и более. 117 На шестом этапе в пыльниках формируется большое количество материнских клеток пыльцы. В годы с дефицитом влаги в период прохождения растениями шестого этапа органогенеза резко уменьшается количество фертильной пыльцы, что обусловливает низкую озерненность початков и снижение урожая. Завершение шестого этапа органогенеза метелки ведет к значительному, почти скачкообразному усилению роста стебля теперь уже за счет верхних междоузлий (10-11-го у скороспелых сортов, 10-15-го у средне - и позднеспелых сортов). В тех случаях, когда условия температуры и влажности способствуют росту растений, особенно после завершения шестого этапа, среднесуточный прирост за декаду превышает 60-100 см. На седьмом этапе усиленно растут покровные органы колоска, прикрывающие органы цветка, растут в длину все членики соцветия, вытягивают тычиночные нити, завершаются процессы формирования половых клеток. Особенно интенсивно растут в это время самые верхние междоузлия стебля. Восьмой этап - взметывание метелки, которая очень быстро вносится за пределы влагалища верхнего листа. Этот этап совпадает с одноименной фазой развития кукурузы, обычно регистрируемой фенологическими наблюдениями. Девятый этап - цветение метелки - характеризуется еще более усиленным ростом тычиночных нитей, выносящих пыльники наружу, после чего пыльники лопаются и созревшая пыльца высыпается из них. После чего мужское соцветие отмирает и засыхает. Початок в своем развитии проходит двенадцать этапов органогенеза. На I этапе недифференцированный конус нарастания бокового побега (початка) очень трудно отличить от конуса нарастания метелки. Он представляет собой бугорок с широким основанием и гладкой поверхностью, только в отличие от первичного конуса нарастания у его основания отсутствуют зачатки зародышевых листьев, которые закладываются у зародышевого побега еще в почке семени. 118 II этап - начало вытягивания конуса нарастания. В это время в пазухах листьев закладываются зачатки влагалищ листьев, которые по мере развития побега и соцветия (початка) превращаются в листья обвертки. Продолжительность второго этапа варьирует от 15 до 40 дней (в зависимости от сорта). На III этапе происходит дальнейшее вытягивание конуса нарастания и его сегментация. Уже можно подсчитать число потенциальных колосков в рядах. IV этап - образование колосковых лопастей и формирование из каждой лопасти двух колосковых бугорков. Чем лучше условия для роста на четвертом этапе, тем больше формируется вдоль колоса колосковых лопастей и тем больше вероятность образования крупного длинного початка с большим числом зерен в рядах. В зависимости от сорта и метеорологических условий продолжительность четвертого этапа варьирует от 6 до 12 дней. Известно, что большинство сортов кукурузы относится к растениям короткого дня; чем южнее место происхождения растений, тем быстрее в условиях 10-12 часового фотопериода они проходят третий и четвертый этапы органогенеза. V этап органогенеза початка - дифференциация колосков на два неравных цветковых бугорка (верхний значительно больше нижнего). На каждом цветковом бугорке с трех сторон появляются выпуклости, в последующем превращающиеся в пыльниковые бугорки, а в центре образуется бугорок, дающий начало пестику. Таким образом, на пятом этапе в початках, как и в метелках, развиваются зачатки обоеполых цветков. Однако уже в середине этого этапа пестичный бугорок заметно обгоняет в росте пыльниковые бугорки. На верхушке пестика появляется вогнутость и затем образуются лопасти рыльца. Тычиночные бугорки прекращают свой рост и на последующих этапах органогенеза обнаруживаются лишь в виде бесформенных небольших образований. Из двух цветков в колосках початка развивается один; второй на пятом этапе начинает редуцироваться. 119 VI этап органогенеза початка - формирование генеративных органов. Наблюдается удлинение завязи, усиленно растут столбики пестика, появляется опушенность и дольчатость рыльца. Оптимальные условия произрастания растений на этом этапе определяют степень фертильности цветков початка. На VII этапе в длину и в диаметре усиленно разрастается початок, растут нити рылец, завершается в основном процесс формирования генеративных органов цветка. На VIII этапе нити выходят из обвертки листьев, окружающих початок. На этом этапе часть цветков при попадании на рыльца чужой пыльцы может оплодотвориться, но процент таких цветков невелик. На этапе IX органогенеза осуществляются процессы цветения, опыления, оплодотворения. Цветение в зависимости от сорта длится от 10 до 18 дней. На длительность девятого этапа влияют метеорологические условия: при очень жаркой погоде продолжительность цветения меньше, так же как при экстремально низких температурах. Длина рылец в среднем (над обверткой) 510 см, у некоторых сортов до 15 см. X этап - формирование зародыша и рост в длину зерновки, начало молочной спелости. XI этап совпадает с фазой молочной спелости и накоплением питательных веществ. XII этап - превращение питательных веществ в запасные, обезвоживание зерновки до 10-16%; этап завершается полной спелостью зерна. Проведена гетерозисных работы гибридов по определению кукурузы в генетического процессе онтогенеза, потенциала что имеет теоретическое и практическое значение, так как позволяет расширить представления о природе гетерозиса и прогнозировать его степень при подборе родителей. Нами заложены полевые опыты с целью выяснения формирования гетерозисного эффекта в процессе онтогенеза у простых гибридов кукурузы, полученных с участием 6 самоопыленных линий селекции кафедры генетики КБГУ (4, 6, 8, 23, 28, 30) и подвергавшиеся диаллельному скрещиванию по 120 схеме р (р-1)/2. Прирост растений кукурузы в высоту учитывали через два дня, а затем суммировали за этап. Результаты регулярных промеров свидетельствуют о том, что прирост стебля в высоту завершается во время цветения метелки, то есть на IX этапе, а не на XII этапе формирования початка. При этом абсолютные цифры становятся минимальными и значительно отличаются от прироста за VI , VII и VIII этапы органогенеза метелки. Початки в это время находятся на VII-VIII этапах развития. Таким образом, наши данные подтвердили результаты исследователей о зависимости темпов ростовых процессов стебля, а затем и листьев разных ярусов от прохождения этапов органогенеза метелки у растений кукурузы. Результаты по анализу гетерозисного эффекта у гибридов кукурузы в процессе онтогенеза следует продолжить данными по типам генного действия, определенного с помощью методов B.J. Hayman(1954) и M. Jones(1965), при этом последний является модификацией метода анализа диаллельных таблиц, включающих только родительские линии и прямые гибриды F1. Об отсутствии неаллельного взаимодействия генов можно судить по коэффициенту регрессии Wi на Vi , который должен быть равен 1. В нашем анализе коэффициент регрессии по высоте растений на разных этапах органогенеза метелки оказался близок к 1 и, следовательно, неаллельное взаимодействие генов не является определяющим в гетерозисе по этому признаку. В таблице 10 представлены полученные данные по характеристике генетических компонентов непрерывной вариации по высоте растений и ее приростов в онтогенезе. Как аддитивный показатель D, так и доминантный H1 больше 1 на всех этапах органогенеза метелки, а следовательно имеет место доминирование, оно увеличивается от III этапа к VII( так на III этапе D и H1 равны 2,57 и 1,38 соответственно, на V этапе эти величины составляют 11,46 и 48,72 и к VII этапу достигают максимальных значений: D – 30,45, H1 – 65,81), а затем к завершению роста главного стебля уменьшается. Отношение H1/D оценивает среднюю степень доминирования по всем локусам. На III этапе оно меньше 1, что указывает на неполное доминирование. На последующих этапах H1/D 121 больше 1 и, следовательно, имеет место сверхдоминирование. Показатель h2/H2 оценивает число сцепленных групп генов или эффективных факторов, контролирующих изучаемый признак и проявляющих доминирование (Мазер, Джинкс, 1985). По нашим данным, таких генов или групп генов может быть от 2 до 6 и более, при этом число таких групп увеличивается от III к VII этапу органогенеза метелки (на III этапе h2/H2 равно 1,43, на V – 5,21, на VII – 5,71) Таблица 10. Генетические компоненты вариации по высоте растений в онтогенезе шести самоопыленных линий кукурузы, полученные на основе анализа диаллельных скрещиваний Генетический Этапы органогенеза метелки параметр III IV V VI VII VIII IX Vr - 3,38 5,83 6,55 13,59 4,44 1,24 Vp 2,71 9,23 12,36 24,30 33,50 17,19 3,11 D 2,57 8,40 11,46 24,30 30,45 16,09 2,90 H1 1,38 31,86 48,72 91,71 65,81 26,30 11,03 H2 0,89 35,71 46,33 93,18 64,71 26,50 9,91 F 9,66 23,13 31,60 53,07 66,13 33,40 9,00 h2 1,27 141,62 241,0 489,22 369,22 123,49 53,75 H1 / D 0,54 3,79 4,25 3,77 2,16 1,63 3,80 h2 / H2 1,43 3,96 5,21 5,25 5,71 4,66 5,42 0,16 0,28 0,24 0,25 0,25 0,25 0,22 H2 / 4H1 Результаты анализа генетических компонентов указывают и на то, что разность между средней всего потомства F1 и средней родительских линий отражает среднее направление доминирования, которое определяет увеличение высоты растений. Величина H2/4H1 дает оценку симметрии в распределении доминантных и рецессивных аллелей. Как видно из данных, представленных в таблице, на III этапе наблюдается сдвиг в сторону увеличения доминантных аллелей, а затем на последующих этапах соотношение становится одинаковым 122 (произведение доминантных и рецессивных аллелей равно 0,25) и сохраняется до IX этапа органогенеза метелки. Определение генетических компонентов, контролирующих становлениеколичественных признаков у кукурузы в онтогенезе убедительно доказало, что высота растений контролируется сложной системой, составные которой могут переопределяться в процессе индивидуального роста. Наряду с аддитивными эффектами в онтогенезе могут проявляться доминирование и сверхдоминирование. Доминирование у гибридов F1 направлено на увеличение высоты растений и очевидно, чем более высокорослая самоопыленная линия, тем больше у нее доминантных аллелей. Учитывая результаты наших данных и результаты других исследователей, следует подчеркнуть, что генетический контроль количественных признаков корректируется в значительной мере средовыми факторами, а также физиологическим состоянием организма. Это и должно определить дальнейшие поиски тестов для прогнозирования гетерозиса и выделение основных этапов развития в формировании хозяйственно ценных признаков и более полной реализации потенциальной продуктивности гибридов кукурузы. 123 4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ Полученные результаты и разработанные методы могут широко применяться в сельском хозяйстве и других областях народного хозяйства. Разработанные методы интродукции и созданные самоопыленные линии многопочатковой кукурузы должны обеспечить интродукцию и реинтродукцию растений, выведение новых сортов растений. Одним из важнейших показателей при выведении новых самоопыленных линий, сортов и гибридов кукурузы являются количественные признаки элементов продуктивности, которые определяются высотой растений, количеством початков на растении, массой початка, а также длиной и диаметром початка, числом рядов зерен и количеством зерен на початке, массой 1000 зерен, выходом сухого зерна с початков. Знание системы генетического контроля количественных признаков крайне важно для генетиков и селекционеров, занимающихся созданием новых сортов или самоопыленных линий. В зависимости от характера действия и взаимодействия генов, контролирующих развитие признака, определяется и методика отбора по этому признаку в процессе выведения новых форм. Мерные или количественные признаки имеют сложную наследственную основу, проявляющуюся в непрерывно фенотипической изменчивости в расщепляющихся гибридных потомствах. Они в значительной степени подвержены модифицирующему действию внешней среды. В генетических системах в контроле количественных признаков могут принимать участие гены-модификаторы, гены с плейотропным действием, гены, проявляющие эффект дозы. Наследование количественных признаков представляет собой результат действий генов всего генотипа. Исследованиями установлено, что такие элементы продуктивности, как величина початка, количество зерен в ряду и число рядов зерен на початке, не являются коррелятивно связанными. Но при создании новых самоопыленных 124 линий или гибридов эти признаки необходимо сочетать в максимальном выражении каждого. Академик Н.И.Вавилов писал, что "конечной целью растениеводства является создание адаптивными сортов, сочетающих способностями". высокую Селекция с продуктивность незапамятных с времен ориентировалась на повышение хозяйственной части урожая в искусственно созданных агроэкологических условиях, что шло в ущерб приспособительным способностям организмов. Узкая специализация сортов к высокой культуре земледелия привела к тому, что они, как правило, плохо адаптированы к некоторым недостаточно контролируемым факторам среды, в частности, дефициту почвенной влаги, воздействию вредителей, болезней и др. факторов, что тормозит развитие сельскохозяйственного производства. Нами проведен генетический анализ важнейших хозяйственно-ценных признаков линий кукурузы, выявление степени изменчивости генетикостатистических параметров, способствующих получению стабильной информации о генотипе сортов хлопчатника. Генетический анализ самоопыленных линий кукурузы в системе диаллельных скрещиваний дал информацию о генетической и селективной ценности данных линий, а также дал возможность выявить дополнительную информацию об изучаемом материале, определить вклад аддитивных и неаддитивных генов, получить сведения о направлении дальнейшего использования линий. Показано, что многопочатковые линии кукурузы дают более высокий урожай по сравнению с однопочатковыми, особенно это видно в засушливое время. В это время повышается уровень пустых початков у однопочатковых линий (иногда количество пустых початков достигает до 40%), а у многопочатковых вызревает хотя бы один. При хорошо выраженном производстве многопочатковые линии кукурузы дают доход в 1,4 раза выше. Кроме этого показано, что по всем детальным исследованиям: рост и развитие растений при оценке длины междоузлий 125 стебля, степени дифференциации зачаточных початков, по характеру формирования ассимиляционной поверхности, по ферментативной активности и накоплению нуклеиновых кислот в развивающихся початках, многопочатковые линии превосходят однопочатковые. Также отмечена положительная корреляция между числом полноценных початков, формирующихся в главном стебле и урожайностью зерна кукурузы. Многопочатковые гибриды при 20 тыс. растений на гектар дают до 60,9 ц/га, а однопочатковые – 47,8. Таким образов экономическая выгода от культивирования многопочатковых линий кукурузы очевидна. Количество организаций-пользователей объектом научной инфраструктуры (БС КБГУ) за период выполнения контракта составило 7. Между тем количество запросов на проведение НИР на базе БС КБГУ неуклонно растет и в 2011 г. планируется заключение 6 договоров. Планируется довести количество таких организаций к 2015 г. до 10 – 12. Экономический эффект от такого сотрудничества подсчитать трудно, но, безусловно, такие договора будут иметь взаимовыгодный характер. Количество биоиндикаторов среды, выявленных за период выполнения работ по контракту составило 81 вид. Продолжение исследований по данной тематики позволит довести количество этих видов до 120 – 130, что будет способствовать более достоверному определению качества природной среды и прогнозированию его в долгосрочной перспективе. 126 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, в ходе выполнения работ по этапу, получены следующие результаты: - определение генетических компонентов, контролирующих становление количественных признаков у кукурузы в морфофизиологическом онтогенезе доказало, что высота растений контролируется сложной системой, составные которой могут переопределяться в процессе индивидуального роста; - наряду с аддитивными эффектами в онтогенезе могут проявляться доминирование и сверхдоминирование. Доминирование у гибридов F1 направлено на увеличение высоты растений и очевидно, чем более высокорослая самоопыленная линия, тем больше у нее доминантных аллелей, генетический контроль количественных признаков корректируется в значительной мере средовыми факторами; - для оценки генетической изменчивости эндемичных видов растений рекомендуется метод ДНК-фингерпринтинга с использованием высоко полиморфных стабильных маркеров, позволяющий эффективно оценить полиморфизм локусов в геноме и выявить основные показатели генетического разнообразия популяций; - для сохранения генофонда биологического разнообразия растительных сообществ разработаны принципы множественного молекулярно-генетического геномного маркирования и создана концепция идентификации и оценки состояния генофондов редких и нуждающихся в охране видов растений на примере эндемичных видов растений A. vernalis и D. grandiflora; - показано, что генетическая изменчивость у исследованных эндемичных видов растений варьирует в узких пределах, несмотря на небольшую эффективную численность популяций, а также их дифференциацию и изолированность; - выявлено, что основные показатели генетического разнообразия изученных популяций A. vernalis достоверно и линейно коррелируют. A. vernalis характеризуется высоким уровнем межпопуляционной дифференциации. Генофонд исследованных популяций D. grandiflora способен самовоспроизводиться без вмешательства извне при условии сохранения существующих популяций; - установлены специфические характеристики генофондов для ряда популяций: самой северной популяции A. vernalis на г. Кызыл-Ыстын; A. vernalis и D.grandiflora, расположенных в Баксанском районе КабардиноБалкарии, на основании молекулярно-генетичеcкого анализа установлены уровень и состав генетического разнообразия популяций, с учетом межпопуляционного генетического разнообразия. - метод оценки продуктивности и стабильности генотипов выгодно отличается от существующих тем, что сводит оценку стабильности в основном к определению одного параметра 2САСi, который предпочтительнее по сравнению с 2(GXE)gi, так как учитывает эффект компенсации, что позволяет отбирать генотипы, сочетающие высокую продуктивность и средовую устойчивость по одному показателю — селекционной ценности генотипа СЦГi; - в генетическом контроле признака «высота растений» у линий установлено сверхдоминирование и асимметрия в распределении доминантных и рецессивных аллелей, причем доминирование направлено на увеличение признака, в генетическом контроле признака «число початков с растения» у изученных линий установлено неполное доминирование и асимметрия в распределении доминантных и рецессивных генов, по-видимому, существуют гены, контролирующие как высокое, так и низкое число формирующихся початков на растении, в генетическом контроле признака «урожайность зерна» у линий установлено сверхдоминирование и симметрия в распределении доминантных и рецессивных аллелей, причем доминирование направлено на увеличение признака; - определено, что початок закладывается снизу вверх и их развитие в начале онтогенеза идет в такой же последовательности, нижние пазушные побеги, дойдя до третьего либо четвертого этапа органогенеза, очень быстро начинают отставать в развитии и особенно в росте от верхних побегов и 131 ускоряется развитие верхних пазушных почек, при этом самая верхняя почка обгоняет в развитии нижележащие и из нее формируется продуктивный початок, достигающий наиболее высокой степени зрелости, что является морфофизиологическими особенностями адаптаций; - на морфофизиологические критерий адаптации, такой как формированию двух и многопочатковых растений кукурузы оказывают влияние исходный генотип, продолжительность вегетационного периода, температура воздуха и почвы, длина дня, агротехнические условия, а также густота стояния. Появление рылец у вторых початков у многопочатковых форм, наступает одновременно или несколько позже, чем у первых. Материалы проекта включены в учебный процесс БФ КБГУ. Новые оригинальные данные позволят выявить сохранить уникальный генофонд редких и эндемичных видов растений, произрастающих в горных уникальных экосистемах, вести мониторинг природных популяций и разработать меры их охраны. Молекулярно-генетический анализ культурных растений позволяет выявить растения с наиболее ценными хозяйственными качествами, что является основой дальнейшей селекции самоопыленных линий кукурузы. Морфофизиологические критерии адаптаций кукурузы определят дальнейшее направление региональной селекции для повышения количественных признаков новых сортов. Комплексные исследования адаптивного потенциала растений позволит разработать меры по рациональному природопользованию природных ресурсов и повысит качество жизнедеятельности человека. Полученные результаты находятся на уровне лучших достижений отечественных и зарубежных исследователей. Количество организаций – пользователей уникальным объектом инфраструктуры науки (БС КБГУ) за период выполнения государственного контракта составило 7 (Приложение А). По результатам выполнения работ по государственному контракту опубликовано 9 научных работ (Приложение Б), защищены 4 дипломные работы (Приложение В) и 2 кандидатские диссертации (Приложение Г). 132 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Андреенко С.С., Куперман Ф.М. Физиология кукурузы. - Изд-во Московского ун-та, 1959-С.168-268. 2. Боровский М.И., Чалык Т.С., Каравайков Г.П., Мустяца С.И. Селекция кукурузы.//Кукуруза в Молдавии: Картя молдовенскэ,1985.-С.40-101. 3. Грушка Я. Монография о кукурузе. - М.: Колос, 1965.- 751с. 4. Гурьев Б.П.Проявление некоторых хозяйственно-полезных признаков у гибридов кукурузы // Селекция и семеноводство. - Киев. - 1970. - Вып.19. - С.44-51. 5. Джозефсон Л. Выведение двухпочатковых раннеспелых гибридов кукурузы. - В кн.: Гибридная кукуруза. - М.: Колос, 1964.- С.147-161. 6. Жуковский П.М.Культурные растения и их сородичи. - М.: Колос. - 1971. - 752с. 7. Жученко А.А. Адаптивный потенциал культурных растений. Кишинев: Штиинца, 1988. 766 с. 8. Керефов К.Н. Биологические основы растениеводства. - М.: Высшая школа, 1982.- С. 23-63. 9. Керефов К.Н. Возделывание кукурузы в Каб АССР.- Нальчик, 1949.-С.724. 10.Керефов К.Н., Куперман Ф.М. Морфофизиологический анализ многопочатковых форм кукурузы - Ученые записки КБГУ. - Нальчик, 1969. - Вып.41. - С.59-70. 11.признака двухпочатковости при селекции раннеспелых гибридов кукурузы. - М-лы IV Всес. научно-технической конференции молодых ученых по проблемам кукурузы. - Днепропетровск, 1985.- С.39-41. 12.Клочко П.Ф. Методы и результаты селекции и семеноводства кукурузы и зернового сорго на Юге Украины. - Одесса, 1987.-С.5-19. 13.Клочко П.Ф., Фесенко И.В.Селекция кукурузы на двухпочатковость // Кукуруза. - 1983. - №1. - С.28-30. 133 14.Козубенко В.Е. Селекция кукурузы на многопочатковость // Земледелие. - 1955. - №12. - С.8-10. 15.Османова Ф.Ш. Строение и развитие проводящей системы початка кукурузы. - Ученые записки КБГУ. - Нальчик, 1964. Вып.20. 16.Папалашвили Г.М. Многостебельно-многопочатковая кукуруза // Кукуруза.- 1974. - №9. - С.24-25. 17.Семкина П.Ф. Морфолого-анатомическое строение стеблей кукурузы при различных площадях питания растений. - Науч. конфер. Харковск. с-х ин-та. - 1963. - Вып.4. 18.Томов К., Митев М. Селекция многопочатковых гибридов кукурузы. Материалы IX заседания ЕУКАРПИЯ, секция кукуруза и сорго. Краснодар, 1979.-С.205-213. 19.Томов К., Митьев С. Селекция многопочатковых гибридов кукурузы. Материалы IX заседания ЕУКАРПИЯ, селекция кукурузы и сорго. Краснодар. - 1979, с.205-213. 20.Трифунович В., Ристанович Д. Селекция многопочатковой кукурузы. Материалы IX заседания ЕУКАРПИЯ, секция кукуруза и сорго. Краснодар, 1979.-С.161-194. 21.Турбин Н.В. Генетика гетерозиса и методы селекции растений на комбинационную способность. - В кн.: Генетические основы селекции. Минск: Наука и техника, 1971.- С.112-155. 22.Турбин Н.В., Хотылева Л.В. О принципах и методах селекции растений на комбинационную способность. - В кн.: Гетерозис. - Минск: Наука и техника,1961.-С.59-110. 23.Турбин Н.В., Хотылева Л.В., Тарутина Л.А. Анализ доминирования в системе диаллельных скрещиваний // Вопросы генетики и селекции. Минск, 1970. - С.13-25. 24.Хотылева Л.В. Селекция гибридной кукурузы. - Минск: Наука и техника, 1965.- 168с. 134 25.Чалык С.Т. Закономерности проявления элементов структуры урожая кукурузы и влияние их на урожайность гибрида первого поколения: Автореф. дис. канд. с.-х. наук.- Харьков, 1986.- 22с. 26.Шевелуха B.C. Связь этапов онтогенеза кукурузы с ростом стебля в высоту. - М: Из-во СХЛ,1958.-№ 5.- С.14-19. 27.Шмараев Г.Е. Генетика количественных и качественных признаков кукурузы. - СПБ.- изд. ВИР.1995.- 168с. 28.Шмараев Г.Е. Кукуруза (филогения, классификация, селекция).- М.: Колос,1975.- 304с. 29.Шмараев Г.Е., Кицай М.Н., Повалева И.А.Сравнительно- анатомическое изучение вегетативных органов кукурузы. - Тр. по прикл. ботанике, генетике и селекции. - 1973. - Т.51. - Вып.1. 30.Шмараев Г.Е. Кукуруза (филогения, классификация, селекция). - М.: Колос. - 1975. - 304с. 31.Шмараев Г.Е. Роль мировой коллекции ВИР в создании новых скороспелых высокопродуктивных сортов и гибридов кукурузы // Тр. по прикл. ботанике, генетике и селекции. - 1979. - Т.63. - Вып.1. - С.10-17. 32.Griffing I.B. A geniralized treatment of the use of diallel crosses in quantitative inheritance. - heredity. - 10. - 1956. - P.31-50. 33.Lonnquist I.H.Mass selection for prolificacy in maire. - Der Zuchter. - 37. 1967. - P.185-188. 34.Zuber M.S., Gordan C.O., Singleton D.V.Rate of planting studies with prolific and single earl corn hybrids. - Missour; Agric. Exper. Station Research Bulleten. - 1960. - P.737. 135 Приложение А Перечень организаций-пользователей объекта научной инфраструктуры (БС КБГУ) за период выполнения контракта СПРАВКА о числе организаций-пользователей уникальных стендов, установок и объектов научной инфраструктуры в рамках государственного контракта № 02.518.11.7174 от "8” июня 2009 года " Проведение исследований с использованием Ботанического сада Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова " Период – этап № 1 календарного плана («08» июня 2009 г. по «30» сентября 2009 г.) Договор с исполнителем госконтракта о пользовании Проект организации-пользователя № Полное наименование и адрес организациипользователя Наименование и шифр Период действия (месяц и год начали и окончания) Заказчик Дата заключения № Период пользования (даты начала и окончания) Дата и № акта о предоставлении услуги пользования Краткое описание проведенных работ и их воздействия на результаты работ по проекту пользователя Ботанический сад Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова - - - - - - - - - 138 Период – этап № 2 календарного плана («01» октября 2009 г. - «07» декабря 2009) г. Проект организации-пользователя № Полное наименование и адрес организациипользователя Наименование и шифр Период действия (месяц и год начали и окончания) Заказчик Договор с исполнителем госконтракта о пользовании Дата заключения № Период пользования (даты начала и окончания) Дата и № акта о предоставлении услуги пользования Краткое описание проведенных работ и их воздействия на результаты работ по проекту пользователя Ботанический сад Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова 1 2 3 Республиканский детский экологобиологический центр, 36009, г. Нальчик, ул. Дагестанская, 105 Исследование редких и эндемичных видов растений в условиях КБР. Лабораторная НИР ГНУ КабардиноБалкарский НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии Селекция культурных растений с ценными биологохозяйственными. Лабораторная НИР Национальный парк «Приэльбрусье» Исследование сообществ и структуры популяций. Лабораторная НИР 01.01.200931.12.2010 01.01.200931.12.2010 Республиканский детский экологобиологический центр ГНУ КабардиноБалкарский НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии 10.07.2009 10.03.2009 17 12 01.08.2009 – 20.12.2009 01.04.2009 – 25.12.2009 На текущее время работы продолжаются На текущее время работы продолжаются Проведены работы по экологобиологическому изучению орхидей, первоцветов, лилейных. Выполнено 25% объема НИР Проведены научноисследовательские работы по селекции кукурузы, роз группы «Флорибунда», клематисов. Выполнено 25% объема НИР 01.01.200931.12.2011 Национальный парк «Приэльбрусье» 21.01.2008 2 01.09.2009 – 25.12.2009 На текущее время работы продолжаются Исследованы сообщества и структуры популяций БС КБГУ. Выполнено 20% объема НИР 139 Период – этап № 3 календарного плана («01» января 2010 г. по «31» мая 2010 г.) Проект организации-пользователя № Полное наименование и адрес организациипользователя Наименование и шифр Период действия (месяц и год начали и окончания) Заказчик Договор с исполнителем госконтракта о пользовании Дата заключения № Период пользования (даты начала и окончания) Дата и № акта о предоставлении услуги пользования Краткое описание проведенных работ и их воздействия на результаты работ по проекту пользователя Ботанический сад Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова 1 2 ФГУ Нальчикский государственное опытное охотничье хозяйство (НГООХ). 360000, г.Нальчик, ул.Горького, д.74 «а» Экспертная оценка экологического состояния территории НГООХ. Лабораторная НИР Отдел контроля, надзора и охраны водных биологических ресурсов ЗападноКаспийского территориального управления по КБР. 360030, г.Нальчик, ул.Тарчокова, д.18 Охрана и мониторинг биоресурсов КБР. Лабораторная НИР 21.01.200931.12.2011 ФГУ Нальчикский государственное опытное охотничье хозяйство 21.01.2009 13 15.01.2010 – 30.05.2010 На текущее время работы продолжаются Исследованы сообщества и структуры популяций НГООХ. Выполнено 20% объема НИР 27.02.200931.12.2011 Отдел контроля, надзора и охраны водных биологических ресурсов ЗападноКаспийского территориального управления по КБР 27.02.2009 24 20.01.2010 – 30.06.2010 На текущее время работы продолжаются Проведен мониторинг биоресурсов КБР. Выполнено 15% объема НИР 140 Период – этап № 4 календарного плана ("01" июня 2010 г. по "30" ноября 2010 г.) Проект организации-пользователя № Полное наименование и адрес организациипользователя Наименование и шифр Период действия (месяц и год начали и окончания) Заказчик Договор с исполнителем госконтракта о пользовании Дата заключения № Период пользования (даты начала и окончания) Дата и № акта о предоставлении услуги пользования Краткое описание проведенных работ и их воздействия на результаты работ по проекту пользователя Ботанический сад Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова 1 2 ГОУ ВПО «Калмыцкий государственный университет» ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет» Разработка трофических связей, моделей онтогенеза, адаптационных механизмов, устойчивости природных сообществ Изучение флоры и биомониторинг биоресурсов 01.01.2009 – 31.12.2010 01.01.2009 – 31.12.2010 ГОУ ВПО «Калмыцкий государственный университет» ГОУ ВПО «Астраханский государственный университет» 31.07.2009 24.03.2008 36 31.07.2009 – 31.07.2012 24.03.2008 – 23.03.2011 На текущее время работы продолжаются Проведены совместные работы по биомониторингу биоресурсов. Будет выполнено около 60 % объема НИР На текущее время работы продолжаются Проведены совместные работы по изучению флоры и биомониторингу биоресурсов. Будет выполнено около 70 % объема НИР 141 Перечень организаций пользователей за весь период выполнения контракта 1. Республиканский детский эколого-биологический центр, г. Нальчик. 2. Государственное научное учреждении Кабардино-Балкарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии, г.Нальчик. 3. Национальный парк «Приэльбрусье». 4. Федеральное государственное учреждение Нальчикское государственное опытное охотничье хозяйство, г.Нальчик. 5. Отдел контроля, надзора и охраны водных биологических ресурсов Западно-Каспийского территориального управления по Кабардино-Балкарской республике, г.Нальчик. 6. Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Калмыцкий государственный университет», г.Элиста. 7. Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Астраханский государственный университет» 142 Приложение Б Перечень публикаций, принятых к изданию по результатам выполнения контракта СПРАВКА о числе публикаций, содержащих результаты интеллектуальной деятельности, полученные в рамках выполнения проекта по государственному контракту № 02.518.11.7174 от "8” июня 2009 года Тема: " Проведение исследований с использованием Ботанического сада Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова " Период публикаций – 2009 г. (этапы № 1 - 2 календарного плана ("01" января 2009 г. по "07" декабря 2009 г.) Автор № Ф.И.О. 1 Боготова З.И. 2 Боготова З.И. 3 Слонов Т.Л., Слонов Л.Х., Ханов З.М. Должность и место работы ст. преподаватель кафедры общей генетики, селекции и семеноводства КБГУ ст. преподаватель кафедры общей генетики, селекции и семеноводства КБГУ доцент кафедры ботаники КБГУ Анализ Alu-инсерционного полиморфизма в популяциях кабардинцев и балкарцев Наименование ведущего научного журнала (издания) опубликовавшего работу Медицинская генетика. Москва, Т.8. №1 (79). С. 1924. Изучение линий мтДНК в популяциях кабардинцев и балкарцев Эколого-физиологические особенности лишайников горной системы центральной части Северного Кавказа Наименование публикации на русском языке на языке оригинала (для публикаций на иностранном языке) Страна Дата выхода РФ 2009 Медицинская генетика. Москва, №11 С. 16-22 РФ 2009 Монография, Нальчик, «Эльбрус» РФ 2009 Краткое описание связи содержания публикации с результатами работ по проекту 143 Период публикаций – 2010 г. (этапы № 3 - 4 календарного плана ("01" января 2010 г. по "30" ноября 2010 г.) Автор № 1 2 3 4 Наименование публикации Должность и место работы Ф.И.О. на русском языке на языке оригинала (для публикаций на иностранном языке) Наименование ведущего научного журнала (издания) опубликовавшего работу Страна Дата выхода Паритов А.Ю., Надзирова Р.Ю., Биттуева М.М., Хандохов Т.Х., Боготова З.И. Паритов А.Ю. декан КБГУ БФ, Изучение флористического состава заказника «Гедуко» Баксанского района Известия Самарского научного центра РАН, Самара, 2010, Т. 12, № 1 (5), с. 1421-1423 РФ 2010 декан КБГУ БФ, 2010 декан КБГУ БФ, Известия Самарского научного центра РАН, Самара, 2010, с. 791-795 Известия Самарского научного центра РАН, Самара, 2010, с. 808-812 РФ Паритов А.Ю., Слонов Л.Х., Слонов Т.Л., Козьминов С.Г., Гогузоков Т.Х. Козьминов С.Г., Удалов М.Б., Беньковская Г.В. Селекция на многопочатковость как один из методов повышения урожайности кукурузы Интродукция и морфофизиологические особенности облепихи РФ 2010 Проблемы интродукции и внутривидовой гибридизации Aris Mellifera Известия Самарского научного центра РАН, Самара, 2010, с. 835-837 РФ 2010 Лихеноиндикация загрязненности окружающей среды Известия ВУЗов: СевероКавказский регион, естественные науки, №2, с. 111-115 Известия ВУЗов: СевероКавказский регион, естественные науки, №2 РФ 2010 РФ 2010 5 Слонов Слонов Л.Х. Т.Л., 6 Слонов Слонов Л.Х. Т.Л., доцент кафедры зоологии КБГУ доцент кафедры ботаники КБГУ доцент кафедры ботаники КБГУ Лишайниковые кислоты в талломах лишайников лесного пояса центральной части Северного Кавказа Краткое описание связи содержания публикации с результатами работ по проекту 144 Приложение В Перечень дипломных работ, подготовленных с использованием объекта научной инфраструктуры (БС КБГУ) за период выполнения контракта СПРАВКА о количестве дипломных работ, подготовленных по результатам исследований с использованием уникальных объектов инфраструктуры науки в рамках государственного контракта № 02.518.11.7174 от "8” июня 2009 года "Проведение исследований с использованием Ботанического сада Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М.Бербекова " Перечень дипломных работ, подготовленных (защищенных) в 2009 г. Дипломник № Наименование Ф.И.О. учебного заведения Наименование дипломной работы Наименование и шифр получаемой специальности Дата защиты работы 1 АЙШАЕВА Зульфия Мухадиновна КБГУ Молекулярно-генетическое исследование самоопыленных линий кукурузы селекции КБГУ Биология 020201.65 25.06.2009 2 ШХАГАПСОЕВА Фатима Вячеславовна КБГУ Почвенные водоросли Черекского района КБР Биология 020201.65 26.06.2009 Краткое описание связи работы с результатами работ по проекту и использованием научного оборудования Перечень дипломных работ, подготовленных (защищенных) в 2010 г. Дипломник № Ф.И.О. Наименование Наименование дипломной работы учебного заведения Наименование и шифр получаемой специальности Дата защиты работы 1 ХАХРИЕВА Залина Иссаевна КБГУ ДНК – маркеры количественных признаков самоопыленных линий кукурузы селекции КБГУ Биология 020200.62 28.06.2010 2 ТАНОВА Марина Замировна КБГУ Зависимость продуктивности лишайников от содержания хлорофилла Биология 020201.65 28.06.2010 Краткое описание связи работы с результатами работ по проекту и использованием научного оборудования 145 Приложение Г Перечень диссертационных работ, подготовленных с использованием объекта научной инфраструктуры (БС КБГУ) за период выполнения контракта СПРАВКА о числе диссертационных работ на соискание ученых степеней, защищенных в рамках выполнения проектов (подготовленных по результатам исследований с использованием с использованием уникальных объектов инфраструктуры науки) по государственному контракту № 02.518.11.7174 от "08” июня 2009 года " Проведение исследований с использованием Ботанического сада Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова " Перечень диссертационных работ, защищенных в 2009 г. Автор диссертационной работы № Ф.И.О. Место работы, должность Наименование диссертационной работы Наименование и шифр научной специальности Номер диссертационного совета Дата защиты диссертации Решение диссертационного совета 30.11.2009 Положительное Краткое описание связи содержания работы с результатами работ по проекту Диссертации на соискание ученой степени кандидата наук 1. Моттаева Асият Хаджимуратовна КБГУ, аспирант Булавоусые чешуекрылые (Lepidoptera, Rhopalocera)Центрального Кавказа 03.02.04 – Зоология 03.02.08 – Экология Д212.053.03 Перечень диссертационных работ, защищенных в 2010 г. Автор диссертационной работы № Ф.И.О. Место работы, должность Наименование диссертационной работы Наименование и шифр научной специальности Номер диссертационного совета Дата защиты диссертации Решение диссертационного совета Краткое описание связи содержания работы с результатами работ по проекту Диссертации на соискание ученой степени кандидата наук 1 Боготова Залина Исхановна КБГУ, аспирант Изучение генетической структуры популяций кабардинцев и балкарцев 03.02.07 - ДМ 002.133.01 22.12.2009 Положительное Генетика 146 Приложение Е Перечень патентов и поданных заявок на результаты интеллектуальной деятельности за период выполнения контракта Название Реквизиты охранного документа Вид ПравообСтрана докуНомер ладатель мента Указание, в какие документы по проекту внедрен РИД на иностранном языке на русском языке Ф.И.О. Место работы, должность документы - - - - - - - - - - Поданы заявки - - - - - - - - - - № Вид РИД 1 Получены охранные 2 Авторы Дата 147
