Перспективы повышения продуктивности ячменя в Дагестане на основе изучения генетических ресурсов культуры (стр. 1 )

На правах рукописи

Баташева

Белахан Абдурашидовна

Перспективы повышения продуктивности ячменя в Дагестане

на основе изучения генетических ресурсов культуры

Специальность: 06.01.05 – селекция и семеноводство

сельскохозяйственных растений

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Санкт-Петербург- 2012

Работа выполнена на Дагестанской опытной станции ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства
им. Россельхозакадемии в 1993–2008 гг.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук заведующий отделом генетики ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Россельхозакадемии доктор биологических наук ведущий научный сотрудник лаборатории иммунитета ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института защиты растений Россельхозакадемии доктор сельскохозяйственных наук профессор кафедры ботаники Санкт-Петербургского Педагогического университета им.

Ведущая организация:

Дагестанский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита состоится «30 » мая 2012 г. в «14.00» часов на заседании Диссертационного совета Д 006.041.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Санкт-Петербург, ; : E-mail: v. *****@

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. .

Автореферат размещен на сайте института: http://vir. ***** и направлен на официальный сайт ВАК 24 февраля 2012 г.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук Вера Алексеевна Гаврилова

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В зерновом клине России наиболее экологически пластичной, скороспелой, засухоустойчивой культурой является ячмень. Ячмень – важная кормовая культура в Дагестане, которая возделывается здесь издревле. Биологические особенности ячменя позволяют получать урожай зерна в условиях богарного земледелия и короткого вегетационного периода. Последнее обусловило столь раннее (4,5–5 тыс. лет тому назад) вхождение ячменя в сельское хозяйство горной зоны Дагестана. В прошлом в горных и высокогорных районах ячмень, особенно голозерные его формы, использовался не только для кормовых целей, но и для выпечки хлеба.

Посевные площади ячменя в Дагестане составляют в среднем 40 тыс. га, средняя урожайность – 1,3-1,7 т/га. В республике возделываются сорта озимого ячменя Дагестанский 239, Завет 3, Циклон и Виктория, ярового – Темп. Данные сорта из-за склонности к полеганию, сильного поражения возбудителями болезней и повреждения вредителями не отвечают требованиям современного растениеводства.

В связи с этим необходимо всестороннее изучение мировой коллекции ячменя ВНИИ растениеводства имени (ВИР) с целью выявления ценного исходного материала для создания экологически пластичных сортов, со стабильной урожайностью в контрастных почвенно-климатических условиях Дагестана.

Одним из важных признаков, определяющих адаптивный потенциал ячменя, является высокая скорость развития, которая обеспечивает получение урожая в условиях холодной затяжной весны, частых дождей, ранних осенних заморозков и т. д. В горных районах республики предпочтение отдается сортам с коротким вегетационным периодом. В последние годы селекция зерновых культур в некоторых зонах Дагестана строилась на сочетании продуктивности с довольно продолжительным вегетационным периодом.

Селекция на иммунитет является одним из эффективных путей повышения количества, качества урожая и его стабильности. Для решения этой сложной проблемы селекции необходимы надежные генетические источники устойчивости с эффективными генами. Гидротермический режим в южно-плоскостной зоне Дагестана, где в течение многих лет проводилась данная работа, благоприятствует развитию возбудителей многих грибных болезней ячменя: мучнистой росы, карликовой ржавчины, полосатой пятнистости и др. Степень их влияния на снижение урожайности различна.

В Южном Дагестане широко распространена и вредоносна шведская муха (Oscinella frit L.). Согласно нашим расчетам, ежегодные потери урожая зерна от повреждения шведской мухой составляют не менее 35 %.

В системе «растение-среда» растения как открытые биологические системы вступают во взаимодействие как с биотическими, так и с абиотическими факторами. К числу последних относится высокое содержание солей в корнеобитаемом слое почвы. Значительные площади засоленных земель сконцентрированы в южных районах России, в том числе и в Южном Дагестане. Освоение засоленных почв возможно после сложной дорогостоящей мелиорации или путем подбора сортов культурных растений с повышенной солеустойчивостью.

Необходимость создания высоко продуктивных сортов ячменя обусловливает актуальность комплексного изучения внутривидового разнообразия мирового генофонда ячменя в сочетании с анализом элементов структуры урожая в условиях южно-плоскостной зоны Дагестана.

Цель исследований – изучение внутривидового разнообразия ячменя культурного по комплексу селекционно-ценных признаков и разработка на этой основе стратегии селекции этой культуры в Дагестане.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать внутривидовое разнообразие ячменя культурного по скорости развития, высоте растений, устойчивости к полеганию, возбудителям грибных болезней, шведской мухе и засолению;

- выделить источники селекционно-ценных признаков, изучить закономерности их наследования;

- изучить индукционные явления фотосинтеза при темнота-свет переходе в связи с возможным их использованием для оценки физиологической пластичности сортов сельскохозяйственных культур;

- исследовать продуктивность как интегральный признак и выявить биотические и абиотические факторы среды, лимитирующие урожай ячменя в Дагестане;

- определить приоритетные направления селекции ячменя в условиях южно-плоскостной зоны Дагестана;

- разработать модель сорта ячменя для условий орошения и подзимнего посева в Южном Дагестане;

- создать новые рекомбинантные линии, представляющие интерес для включения в селекционные программы и предложения производству.

Научная новизна исследований. Впервые в условиях короткого дня, орошаемого земледелия, подзимнего посева, засоления почв, высокого естественного инфекционного фона южно-плоскостной зоны Дагестана проведено комплексное изучение внутривидового разнообразия мировой коллекции ячменя культурного по адаптивно важным признакам. В результате изучения индукционных явлений фотосинтеза при темнота-свет переходе разработан способ определения реактивности фотосинтетического аппарата высших растений. Выявлен широкий внутривидовой полиморфизм ячменя культурного по длине вегетационного периода, высоте растений, устойчивости к мучнистой росе, карликовой ржавчине, полосатой пятнистости, шведской мухе и засолению. Установлено, что в Южном Дагестане фактором, существенно лимитирующим продуктивность ячменя, является повреждение шведской мухой. Устойчивость к вредителю определяется морфологическими особенностями колоса и сопряженностью периода лета мухи с фазой колошения растений. Наиболее вредоносной болезнью ячменя в Дагестане при эпифитотийном развитии является полосатая пятнистость. Установлено, что сорт Scarlett защищен двумя доминантными генами устойчивости к возбудителю заболевания. Выделены источники устойчивости к мучнистой росе и карликовой ржавчине. Установлено, что группа голозерных разновидностей ячменя (coeleste и nudum) проявляет повышенную солеустойчивость по сравнению с группой пленчатых разновидностей (distichon и vulgare).

Путем внутривидовой гибридизации ячменя культурного создан новый разнообразный исходный материал. Получены линии с новым морфотипом колоса и с опадающими по мере созревания остями, представляющие интерес как для ботаники и физиологии растений, так и для селекции.

Создан допущенный к использованию по Северо-Кавказскому региону РФ сорт озимого ячменя Дагестанский золотистый.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработаны метод изучения индукционных явлений фотосинтеза при темнота-свет переходе и способ определения реактивности фотосинтетического аппарата высших растений. В результате многолетних исследований выделен и создан ценный исходный материал для селекции ячменя. Созданный материал передан в коллекцию ВИР им. и используется в селекционных программах Краснодарского НИИСХ им. , НИИСХ Центрально-Черноземной полосы, Самарского НИИСХ, Тамбовского НИИСХ, НИИСХ Юго-Востока, Челябинского НИИСХ и Красноярского НИИСХ. В результате индивидуального отбора создан сорт озимого ячменя Дагестанский золотистый, районированный и возделываемый в плоскостных и предгорных районах Республики Дагестан.

Материалы диссертации используются в учебном процессе Дагестанской Государственной Сельскохозяйственной Академии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Потенциал наследственной изменчивости ячменя культурного включает в себя огромное разнообразие форм, различающихся по длине вегетационного периода, высоте растений, устойчивости к мучнистой росе, карликовой ржавчине, полосатой пятнистости, шведской мухе и засолению, которое может быть эффективно использовано в селекции ячменя в разных агроэкологических условиях Юга России.

2. Ключевое значение для повышения урожайности ячменя в Дагестане имеет устойчивость к шведской мухе, которая зависит от сопряженности критической фазы развития растений с периодом массового лета вредителя.

3. На основании комплексного изучения наследственного разнообразия ячменя по адаптивно важным признакам разработана модель сорта для выращивания в Дагестане.

4. Созданы высокопродуктивные рекомбинантные линии и сорт озимого ячменя Дагестанский золотистый с комплексом хозяйственно-ценных признаков.

Апробация работы. Результаты исследований доложены или представлены на: VII съезде Всесоюзного ботанического общества (Донецк, 1983), Всесоюзной конференции «Физиолого-генетические проблемы интенсификации селекционного процесса» (Саратов, 1984), Международной научной конференции, посвященной 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН, «Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане» (Махачкала, 1999), Кавказском симпозиуме «Горные растительные ресурсы: теория и прогноз освоения и воспроизводства» (Махачкала-Гуниб, 1999), Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ДГСХА «ВУЗ и АПК: задачи, проблемы и пути решения» (Махачкала, 2002), Общероссийской научно-практической конференции «Горные регионы России: стратегия устойчивого развития в XXI веке – повестка дня 21» (Махачкала, 2002), II Вавиловской Международной конференции «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2007), Международной научно-практической конференции «Селекция, семеноводство и технология возделывания зернофуражных культур» (Ульяновск, 2008), Международной научной конференции «Биологические и гуманитарные ресурсы развития горных регионов» (Махачкала, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в решении естественнонаучных, технологических и медицинских проблем» (Дербент, 2010).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 46 работ, в том числе 1 монография, 1 каталог и 12 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России. Оформлены 1 авторское свидетельство и 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Текст изложен на 306 страницах, включает 85 таблиц и 44 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 478 наименований, в том числе 106 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Работа выполнена в 1993–2008 гг. на Дагестанской опытной станция ВИР (ДОС ВИР, Дербентский район, с. Вавилово), расположенной в южно-плоскостной зоне Дагестана. Климат сухой субтропический. Климатические условия, которые в годы проведения исследований различались по температурному режиму и влагообеспеченности, в целом благоприятствовали возделыванию ячменя.

Изучили 2021 образец ячменя культурного (Hordeum vulgare L.) из мировой коллекции ВНИИР им. разного эколого-географического происхождения, систематической принадлежности и типа развития (табл. 1). Подбор сортов осуществлялся с учетом природно-климатических особенностей зоны исследований.

В условиях Южного Дагестана, где принят единовременный осенний посев яровых и озимых зерновых, посев ячменя осуществляли в III декаде октября, уборку – во II декаде июня. Агротехника – общепринятая в зоне исследований. Предшественник – сидеральный пар, люцерна, овощные культуры. За период вегетации проводили один влагозарядковый и один вегетационный полива, весеннюю подкормку аммиачной селитрой (200 кг/га), опрыскивание гербицидом «Пума-Супер» против двудольных сорняков (0,6–0,8 мг/га) и «Гепард экстра» против овсюга (0,7–0,9 мг/га).

Таблица 1. Состав изученных образцов ячменя культурного

в зависимости от центров разнообразия культуры

Дербент, 1993–2008 гг.

Происхождение	Изучено образцов, шт.
яровые	озимые
Европейско-сибирский
Западноукраинская группа	24	29
Степная группа	27	-
Северо-Европейская группа	18	6
Западноевропейская интенсивная группа	14	-
Западноевропейская группа	82	226
Западносибирская группа	14	-
Восточносибирская группа	5	-
Дальневосточная группа	4	1
Средиземноморский
Апеннинская группа	37	32
Пиренейская группа	29	40
Анатолийская группа	14	46
Североафриканская группа	43	44
Египетская группа	6	3
Сирийско-палестинская группа	17	135
Переднеазиатский
Армяно-грузинская группа	6	40
Азербайджано-дагестанская группа	274	338
Северокавказская группа	16	62
Ирано-туркестанская группа	9	53
Среднеазиатский
Индийская группа	17	45
Монголо-тибетская группа	2	12
Восточноазиатский
Китайская группа	25	34
Японская группа	31	68
Абиссинский
Абиссинская (Эфиопская) экологическая группа	12	8
Новосветский
Североамериканская группа	13	20
Южноамериканская группа	31	9
ВСЕГО:	770	1251
ИТОГО:	2021

Посев проводили вручную. Образцы высевали на делянках площадью 1 кв. м.; междурядья – 15 см, длина рядка – 1 м, расстояние между делянками – 30 см. В качестве стандартов использовали районированные в республике сорта озимого ячменя – Дагестанский 239 (к-15240, Дагестан), Циклон (к-26049, Краснодарский край), Завет 3 (к-21905, Краснодарский край), Виктория (к-26894, Румыния) и ярового – Темп (к-22055, Краснодарский край). Уборку растений проводили вручную с последующим ручным обмолотом.

Основные учеты и наблюдения осуществляли с помощью общепринятых и модифицированных методов изучения:

- мировой коллекции ячменя и овса (Лукьянова и др., 1981);

- устойчивости растений к вредителям (Чесноков, 1956);

- определения в раннем возрасте солеустойчивости зерновых злаков по комплексу ростовых параметров (Семушина, Синельникова, 1977; Семушина, 1980; Удовенко, Волкова, 1993);

- проведения анализов почв в лабораториях (М., 1977);

- исходного материала для селекции растений (Мережко, 1984);

- индивидуального отбора в селекции (Коренев и др., 1983).

Статистическую обработку результатов исследований осуществляли с помощью общепринятых методик. Для обсчета данных использовали статистические возможности программы Microsoft Excel 1998, создание и анализ баз данных образцов коллекции проведены с использованием программы Paradox 9 для Windows 98.

В качестве критерия устойчивости образцов к повреждению колосьев шведской мухой использовали величину вызываемой вредителем череззерницы (ЧЗ), которую определяли как отношение числа пораженных колосков к общему числу колосков в колосе, и выражали в % (Мусааджиева, 1988).

Для изучения индукционных явлений фотосинтеза применен метод, основанный на определении ассимиляционной способности хлорофиллоносной ткани в различные моменты индукционного периода. Использован также оригинальный способ количественного измерения реактивности фотосинтетического аппарата (РФА) высших растений (Быков, Мусааджиева, 1988; 1990).

СКОРОСПЕЛОСТЬ В СВЯЗИ С АДАПТИВНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ СОРТА

Проблема скороспелости актуальна для всех земледельческих зон страны и всех возделываемых культур, в том числе и для ячменя. В наших исследованиях показателем скорости развития служили время наступления фазы колошения и продолжительность периода всходы-колошение.

Сорта отчетливо дифференцируются по дате колошения, различия в скорости их развития в последующем (колошение-созревание) нивелируются в силу особенностей гидротермического режима к концу вегетационного периода, когда высокая температура воздуха сочетается с почвенной засухой. В связи с этим отмечается не постепенное физиологическое созревание зерна, а вынужденное быстрое его «усыхание».

Период развития растений до фазы колошения составляет обычно 25–30 дней. Коллекционные образцы в сравнении со стандартом распределены в 5 групп спелости: очень ранние, ранние, среднеспелые, среднепоздние и поздние (табл. 2).

Существенные различия между озимыми и яровыми образцами по скороспелости не выявлены, при этом преобладают (80%) среднеспелые формы. Следует отметить, что и по литературным данным их доля в посевах зерновых на территории страны составляет более 70%. Доля ранних форм не превышает 6%. Особенно часто они встречаются в сортименте стран из Восточно-Азиатского и Средиземноморского центров разнообразия культуры. Доля среднепоздних ячменей составляет около 13%, значительная их часть происходит из европейско-сибирского региона. Кроме трех основных групп, отмечены также очень ранние и поздние сорта (менее 1%). Распределение образцов по длине вегетационного периода представляет собой одновершинную кривую с максимумом в области среднеспелых форм. Дагестанские стародавние сорта, прошедшие длительное формирование в условиях короткого дня юга России, практически все среднеспелые. Более того, наиболее продуктивными в Дагестане являются исключительно среднеспелые сорта.