Изучение исходного материала гороха (Pisum sativum L.) и использование его в селекции на повышение симбиотической активности в условиях северной части Центрально-Черноземного региона России

Адаптация к условиям внешней среды путем взаимодействий с микроорганизмами является одним из фундаментальных свойств высших растений (Тихонович И.А., Проворов Н. А., 2005). К сожалению, современные сорта интенсивного типа не только зерновых, но и зернобобовых культур в силу своих генетических особенностей не всегда способны к взаимодействию с полезной микрофлорой почвы. Для реализации биологических возможностей необходима серьезная перестройка селекции растений — она должна перейти к конструированию адаптивных сортов, формирующих высокую продуктивность, в том числе и за счет взаимодействия с полезными микроорганизмами агроценоза (Проворов Н.А., Тихонович И. А., 2003, Сидорова К. К., 2003).

Ведя селекцию на повышение симбиотической активности культуры, в первую очередь, следует решить вопрос о выборе исходного материала. Особую значимость эта проблема приобретает при создании высокоурожайных сортов гороха, поскольку у исследователей не сложилось единого мнения об отзывчивости на инокуляцию полезными почвенными микроорганизмами. В то же время созданы сорта и выделены линии гороха и штаммы клубеньковых бактерий, отличающиеся высоким симбиотическим потенциалом на почвах разного механического состава (Проворов Н.А., Тихонович И. А., 2005; Борисов А. Ю., Наумкина Т. С., 2005), что подтверждает перспективность селекции на создание комплиментарных пар симбионтов.

Наиболее важное экологическое и практическое значение имеют бобово-ризобиальный симбиоз и арбускулярная микориза, различающиеся по физиологии, морфологии и специфичности взаимодействия с растениями, но имеющие единую систему развития. Использование тройных симбиотических систем (сорт — штамм Rhizobium leguminosarum bv. viciae — грибы Glomus ssp.) позволит существенно снизить затраты на применение минеральных удобрений, что удешевит производство зерна гороха и сделает ею экологически чистым.

В связи с вышеизложенным, исследования по изучению исходного материала гороха и использованию его в селекции на повышение симбиотической активности относятся к приоритетным в науке и являются особенно актуальными.

Решению этих вопросов посвящена диссертационная работа, выполненная в рамках задания 08.03.02. «Изучить генетический механизм взаимодействия растения-хозяина при симбиотических взаимоотношениях у гороха» по программе НИР Россельхозакадемии на 2001;2005 гг., программы USA — Russia JSTC. RCLG. 979 133, гранта РФФИ 06−04−96 337.

Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы заключалась в выявлении морфобиологических и симбиотических особенностей современных сортов гороха посевного и выделении исходного материала с высоким потенциалом тройного симбиоза для селекции.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить изменчивость и взаимосвязи морфобиологических признаков и симбиотических показателей у коллекционных форм гороха при взаимодействии с ризобиями и грибами арбускулярной микоризы.

2. Оценить адаптивную способность и стабильность генотипов гороха в изменяющихся условиях среды.

3. Изучить комбинационную способность и характер наследования симбиотических показателей у гороха.

4. Выделить линии гороха, сочетающие высокую семенную продуктивность с повышенной симбиотической активностью.

Научная новизна исследований. Впервые в условиях северной части Центрально-Черноземного региона России изучена изменчивость основных морфобиологических признаков и симбиотических показателей 26 сортообразцов гороха различного эколого-географического происхождения. Получены новые данные о клубенькообразующей способности и симбиотической деятельности сортообразцов. Установлено влияние генотипа и экологических факторов на продуктивность и симбиотическую деятельность гороха, проведена оценка экологической пластичности, стабильности и адаптивной ценности сортообразцов. Определена комбинационная способность и выделены источники высокой продуктивности и симбиотической активности. Установлены особенности наследования признаков, обуславливающих симбиотическую деятельность генотипов гороха.

Практическая значимость. Выделен ценный исходный материал для селекции гороха на повышение симбиотической активности. Предложен новый подход для отбора растений, сочетающих высокую семенную продуктивность с отзывчивостью на инокуляцию штаммами ризобий и грибами арбускулярной микоризы.

Создан и передан на Государственное сортоиспытание новый сорт гороха Триумф, обладающий повышенной урожайностью (4,5 т/га) в сочетании с отзывчивостью на тройной симбиоз.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты изучения изменчивости и взаимосвязей морфобиологических признаков и симбиогических показателей у сортообразцов гороха, позволившие выявить формы, ценные для селекции на повышение симбиотической активности.

2. Оценка адаптивной способности и стабильности генотипов в изменяющихся условиях среды для выделения форм с высокой продуктивностью и симбиотической активностью.

3. Результаты изучения комбинационной способности и особенностей наследования симбиотических показателей у гороха.

4. Созданный с участием автора сорт гороха Триумф, переданный на Государственное сортоиспытание.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГАУ (Орел, 2004, 2005, 2006 гг.) — школе молодых ученых по экологической генетике (Санкт — Петербург, 2005 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Регуляция продукционного процесса сельскохозяйственных растений» (Орел, 2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 174 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов, рекомендаций для селекционной практики и производства, включает 27 таблиц, 30 рисунков и 15 приложений. Список использованной литературы включает 205 наименований, в том числе 70 на иностранных языках.

ВЫВОДЫ.

1 В северной части Ценгрлльно-Черпоземною рспюна I’M) нл гемно-серых лесных почтзлх предпосевная инокуляция ссмян юроха иплммлми ризобий Rhizobium legummosarum bv viciac и фибами арбускулярной микоризы Glomus sр ускоряем появ icinie всходов на 2−3 су юк, при лом злмето уве-личиплсгся семенная продукмивносп" ieiioinnoB, масса сухою рлс1ения, млс-сл 1000 семян.

2. Уеманоилспо высокое варьирование массы ссмян с рас гения (43,8%, 42.2%., 47,7%) — числа бобом на рлемении (V=40,2%, 39,4%, 45,5%): числа ссмян с рлемсния (V=40,l%, 39,5%, 44,2%) — массы сухою рлстения (V= 38,6%, 37,4%), 42,3%>) соответственно в контрольном вариаше (без обрлботкп), при инокуляции семян ипаммами ризобий и трибами арбускулярной микоризы и при внесении минерлльпых удобрений 13 дозе NjslNu Kfn и слабая изменчивость нродолжшелытосги пегетационпо1 о периода.

3. Выявлены значительные сортовые различия, но числу клубеньков па корнях рлсмеппй юроха и нигрогеназной активности. Предпосевная инокуляция ссмян уиеличииает число клубеньков на корнях раемений в 2−3 раза, л шпротеплзную лкмшзносп" - на 10,5 — 12,3%). Снижение числа клубеньков нл корнях растений при внесении минеральных удобрений указывает на переход рлсмеппй к авюфофному питанию азотом.

4. Дтзойнля инокуляция юроха ризобиями и фиблми лрбускулярной микоризы еннжлег мнкорпзлцшо из-за большей) ффекмп1 $ноеми шпродуцп-роваппых ждомикоризных i pnooiJ по сравнению с местными. У большинства обрлзнов при низких зплчениях интенсивности развпптя микоризной инфекции у тзеличтизлася масса сухою расгспия.

5. Семенная проду км нвность юроха на фоне двойной инокуляции штаммами ризобий и трибами арбускулярной микоризы тесно связана с числом семян (г=0,52 0,61), бобов (г=0.52−0,73) и продуктивных у з юв па рлсмеппй (г=0.49 0,71): млссой 1000 семян (г=0,44−0,59) — массой сухою рлегеппя i=0,37 0,52).

6. /(о.iя влияния ienoniiia в детерминации изменчивости семенном продукпшносш i ороча составляем oi 47,05% до 62,07%,.

7. Оценка сорюобразцов, но общем и специфическом адашивной способное пт (оСАС) выявила мч сортовые особенности, но данным показателям Сортообразцы Shawnee, Iри>мф, Скиф, I’S 9 910 035, I’S 9 910 149, I’S 610 152 сочемаю1 стабильным показатель селекционной ценности темотппа (СЩ) с высокой продуктивностью, лучше противостоят стрессовым фактрлм и являются источниками адатпивноети.

8. Установлены достоверные различия сортообразцов по ОКС и СКС с незначительными рецштрокными эффектами. Средний квадрат ОКС был значительно больше среднею квадрата СКС для числа клубеньков (в 20−25 рлзл) п массы сучою растения (в 10−15 раз), что свидетельствует о преобладании а, тдтпнвною деиспзия iспои 13 наследовании массы сучою растения м числа к 1убем1. ков па растениисредний квадрат ОКС был ниже, чем СКС для нтпро-теттазпсэи активности (вЗ раза) м семенном продуктивности (н 7 раз).

9. Гетерозис, но признакам симбиотической активности у растении тороча проявляется дискретно м 13 зависимости oi комбинации скрещивания может быть выражен по большинству млн юлько, но отдельным мрмзнакамнаиболее часто i ибриды нревоечодят родительские формы по числу клубеш. ков, массе сучою растения и семенной продуктивной и, реже — по ншроюпазпой активности.

10. Создан м передан па Государственное сортоиспытание пошли сорi mpo-ча 1риумф, облллак)1тип'1 высоким потенциалом ipoinioio симбиоза.

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОИИОИ ПРАКТИКИ и.

ПРОИЗВОДСТВА.

1. Основными критериями оiбора на семенную продуктивность ieiio-пшов тороча при тройном симбиозе мотут служкить: число семян, бобов м продукппзныч > з юн на растении, масса 1000 семян.

2. В качестве исчолною Maiepna. ia для создания ныссжоролсазшыч сорюв iороча с повышенной активноспло еимбиошчеекой акпфиксацип ре-коменл>ю1Ся i ибридные комбинации к-8472 ч Гриумф, к-8472 ч Скиф, к-8472 ч Fallon, Скиф ч PS 9 910 035.

3. Д ш возделывания в уеловияч Цешралыю Черноземной) и СевероКавказскою peiионов рекомендуемся новый сорт iороча 1риумф, обладающий повышенной уро/Клйпостыо (4,5 i/ia) в сочекшии с высокой oi зывчиво-емыо на iройной симбиоз.

Заключение

.

Поскольку микробно-растительный симбиоз является продуктом сопряженной эволюции партнеров, то и его эффективность зависит от генотипов как микросимбионта, так и растения-хозяина. Поэтому для улучшения эффективности симбиоза необходима координированная работа с растениями и микроорганизмами. Для организации этой работы важно знать, каковы относительные генотипические вклады партнеров в определение симбиотической эффективности. Общим подходом к решению данной задачи является двухфакторный дисперсионный анализ данных об эффективности симбиоза, образуемого различными генотипами растений и микроорганизмов. Этот подход позволяет разделить общее варьирование симбиотической активности на составляющие, которые соответствуют аддитивным (неспецифическим) действиям сортов растений и штаммов бактерий, а также их неаддитивному (специфическому) взаимодействию (Phillips D.A., Teuber L.R., 1992).

За последние годы отмечен прорыв в изучении генетических основ симбиотической азотфиксации. Результаты обширных исследований, выполненных отечественными и зарубежными учёными на молекулярном и организменном уровнях как макротак и микросимбионта, позволили существенно углубить понимание процесса симбиотической азотфиксации и сделать ряд практических рекомендаций для повышения эффективности бобово-ризобиального симбиоза (Тихонович И.А., 1987; Тихонович И. А., Проворова Н. А., 1998; Шумный В. К., Сидорова К. К., 1991; Шумный В. К., Сидорова К. К., Гляненко М. Н. и др., 2004; Gresshoff P.M., 1993). Это касается создания высокоэффективных штаммов клубеньковых бактерий и выделения доноров для селекции бобовых растений на улучшение симбиотических свойств. Па этой основе селекция на повышенную симбиотическую активность становится одним из приоритетных направлений в селекции бобовых культур. Это большой не используемый резерв увеличения урожайности, содержания белка, защиты от болезней и повышения ценности бобовых как азотонакопителей, улучшающих плодородие почвы (Берестецкий О.А., Тихонович И. А., 1985; Черемисов Б. М., 1985, 2006).

Решение комплекса проблем, связанных с организацией симбиотической селекции, требует проведения междисциплинарных исследований, в которых участвуют специалисты разных профилей. Природные микробно-растительные системы могут быть познаны и улучшены только «научными симбиозами» — сообществами ученых, владеющих знаниями и методами в комплементарных областях изучения макрои микроорганизмов. Создание тесно интегрированных научных коллективов, изучающих фундаментальные и прикладные аспекты симбиотических взаимодействий, — чрезвычайно актуальная задача, для решения которой должны быть использованы ор1анизационные возможности современной науки.

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Работа выполнена в 2003.2006 гг. в лаборатории генетики и микробиологии Государственного научного учреждения Всероссийский научно — исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур (ГПУ ВИИИЗБК) в условиях северной части Центрально — Черноземного региона Российской Федерации.

2.1. Условия проведения исследований.

Орловская область расположена в северо-западной части Центральна о л.

Черноземья, ее площадь составляет 24,7 тыс. км. Она занимает северный и западный склоны Среднерусской возвышенности. Протяжённость с запада на восток свыше 200 км, с севера на юг — 150 км. По рельефу область представляет собой сильно волнистую равнину, изрезанную глубокими долинами рек, оврагами и балками.

Климат территории умеренно-континентальный с достаточным количеством тепла и влаги, однако, с неравномерным распределением осадков.

Летом в области преобладают ветры южного, юго-западного, западного и юго-восточного направлений, а зимой — южного, юго-западного, западного и восточного. Западные и юго-западные ветры сопровождаются осадками. Восточные и особенно юго-восточные ветры — сухие, знойные, как правило, вызывают явления засухи. Они имеют большую повторяемость в период вегетации растений.

Среднегодовая температура воздуха в области — +4,9 °С. Абсолютный максимум — +37 °С. Абсолютный минимум — - 38 °C. Средняя температура воздуха наиболее тёплого месяца июля — составляет 17,9−19,6 °С, а наиболее холодного месяца — января — -9,0−10,5 °С.

Орловская область относится к полосе произрастания среднеранних и среднеспелых культур. Период со среднесуточными температурами выше 10 °C начинается в начале мая и заканчивается в середине октября и продолжительность его в среднем составляет 141 день. Сумма положительных температур > 10 °C — 2200−2300. За период с температурой >10 °С в среднем выпадает 300 мм осадков. Гидротермический коэффициент равен 1,2−1,3, что является показателем достаточной влагообеспеченности растений в вегетационный период. За год выпадает 570−580 мм осадков, в дождливые годы их количество возрастает до 790 мм, а в засушливыеуменьшается до 360 мм. При этом наибольшее их количество выпадает в июле (в среднем 98 мм), а на вегетационный период приходится около 40−50% от их общего количества.

Влагообеспеченность сельскохозяйственных культур характеризуется запасом продуктивной влаги в почве. Наибольшие запасы продуктивной влаги в метровом слое (200 — 225 мм) имеют суглинистые почвы севера Орловской области в начале вегетации растений. Наименьшие запасы влаги (100 — 125 мм) содержат песчаные почвы. В целом влагообеспеченность культур составляет 60 — 90% оптимальной.

К неблагоприятным метеорологическим явлениям, наносящим значительный ущерб сельскохозяйственным культурам, относятся заморозки, засухи, суховеи.

Весенне-летние засухи и суховеи различной интенсивности повторяются здесь 1 раз в 3 — 4 года, а иногда следуют 2 года подряд. Отрицательное действие этих погодных явлений компенсируется наличием запасов влаги в почве.

Следует отметить, что горох в ранние фазы развития способен переносить заморозки до — 7.8°С, более низкие температуры воздуха приводят к гибели посевов.

Установление среднесуточной температуры воздуха выше 0 °C считается началом весны. Такая температура воздуха в Орловской области бывает уже в третьей декаде марта. После 8 июня заморозки в области обычно не наблюдаются.

Лето в Орловской области начинается с установлением среднесуточных температур воздуха +12,5 °С. Летние месяцы — июнь, июль и август характеризуются тёплой погодой, дождями грозового характера, возможны ливни, сопровождающиеся выпадением града. В начале лета часто наблюдается засушливая погода, иногда с суховеями.

Таким образом, климатические условия Орловской области в целом благоприятны для возделывания многих сельскохозяйственных культур, в том числе и гороха.

Орловская область расположена в лесостепной зоне и представляет собой зону переходных почв от дерново-подзолистых к чернозёмам. По комплексу природных факторов (рельеф, климат, почвенный покров) на территории области выделено три агропочвенных района: западный, центральный и юго-восточный.

Полевые опыты закладывались в севообороте лаборатории генетики и микробиологии ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур, который находится в Орловском районе Орловской области и относится к центральной зоне с преобладанием серых лесных, темно-серых лесных почв и оподзоленных чернозёмов.

Почвы опытных участков темно-серые лесные, средней окультуренности. Микрорельеф участка выровненный. По основным физико-химическим показателям данные почвы пригодны под все районированные в области сельскохозяйственные культуры и являются типичными для данной природно-экономической зоны.

Пахотный и метровый слои почвы характеризуются высокой водоудерживающей способностью (118 и 345 мм, соответственно). Возможные запасы доступной растениям влаги в слое 0 — 30 см — 88, а в метровом — 262 мм. Максимальная гигроскопическая влажность — 6,8 — 7,5% от массы почвы, влажность устойчивого завядания — 9,6 — 13,3%.

Характеристика почвы на участке проведения опыта приведена в таблице 1.