Создание нового исходного материала для селекции различных подвидов кукурузы и его оценка в агроклиматических зонах России (стр. 1 )

На правах рукописи

СУПРУНОВ Анатолий Иванович

СОЗДАНИЕ НОВОГО ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА

ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ПОДВИДОВ

КУКУРУЗЫ И ЕГО ОЦЕНКА

В АГРОКЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ РОССИИ

06.01.05 – селекция и семеноводство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Краснодар – 2009

Работа выполнена в Краснодарском научно-исследовательском институте

сельского хозяйства им. в 1993 – 2008 гг.

Научный консультант: член – корреспондент РАСХН

доктор сельскохозяйственных наук,

Официальные оппоненты: Академик РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

доктор сельскохозяйственных наук,

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт масличных культур им.

Защита диссертации состоится «__» сентября 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.026.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте риса г. Краснодар, п/о Белозерное

Тел. (факс) (8;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института риса и на сайте www. *****

Автореферат разослан «___» _________2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Кукуруза – это одна из важнейших зерновых культур в мире. Доля кукурузы в мировом зерновом балансе составляет более 30 %, а объем ее ежегодного валового производства в последние годы равен 660 – 686 млн. тонн. За последние 60 лет площади посева кукурузы увеличилась с 87 до 146 млн. га, валовое производство зерна возросло на 622%, а урожайность повысилась с 12,7 до 46,9 центнеров с 1 га (Д. Шпаар, 2006).

Расширение посевов кукурузы и повышение ее урожайности является результатом селекционного прогресса, благодаря которому возросла продуктивность гибридов и существенным образом повысилась их приспособленность к недостатку тепла.

В принятой концепции – прогноз развития животноводства России до 2010 года минимальная потребность в зерне кукурузы для использования на корм составит около 3 млн. тонн, а с учетом развития – 7 млн. тонн (, 2005).

Современные успехи селекционеров России позволили создать районировать гибриды кукурузы, дающие высокие урожаи зерна в широтах до 54 параллели.

В последние годы повышается спрос к продуктам из пищевой кукурузы, в виду более благоприятного сочетания углеводов, определяющие высокие вкусовые качества зерна.

Для повышения эффективности работ по созданию гибридов и популяций кормовой и пищевой кукурузы различных групп спелости для агроклиматических и ландшафтных зон Российской Федерации максимально адаптированных к условиям их возделывания, необходимо совершенствовать методы ведения селекционного процесса, привлечение, создание и изучение нового исходного материала.

Цель и задачи исследований

Основной целью исследований являлась разработка и реализация селекционных задач по расширению генофонда привлекаемого в селекцию исходного материала, дальнейшее совершенствование методов его создания. Селекция линий, гибридов и популяций кукурузы зерно-силосного назначения.

В задачи исследований входило:

1. Создание и оценка нового исходного материала для селекции гибридов кукурузы различных групп спелости зерно-силосного и пищевого использования.

2. Выведение новых самоопыленных линий кукурузы, оценку их по комбинационной способности и по ценным количественным признакам.

3. Выявление корреляционных связей между признаками с целью иллюстрации особенностей наследования ценных факторов, детерминирующих количественные характеристики растений кукурузы.

4. Выделение новых самоопыленных линий и гибридов кукурузы с высокой экологической стабильностью и технологическими качествами зерна.

5. Определение селекционной ценности гибридов кукурузы по результатам экологического испытания.

6. Изучение реакции на ЦМС у линий кукурузы, создание стерильных аналогов, аналогов восстановителей фертильности пыльцы и закрепителей стерильности по перспективным самоопыленным потомствам пищевой кукурузы.

7. Показать биохимические, технологические, кулинарные и пищевые характеристики качества самоопыленных линий и гибридов кукурузы различных направлений использования.

Научная новизна и практическая ценность работы

– Впервые в селекционной практике проведено двадцать циклов рекуррентного отбора на ранее цветение у позднеспелых популяций кукурузы.

– Определенна эффективность рекуррентного отбора на ранее цветение как метода позволяющего создать новый ультрараннеспелый исходный материал для селекции.

– На различных этапах отбора выделены популяции кукурузы с высокой комбинационной способностью по ценным признакам.

– Изучено влияние внешних условий среды на продуктивность популяций и гибридов кукурузы, с участием линий полученных на их основе.

– Созданы новые зубовидные и кремнистые линии кукурузы из популяции различных циклов отбора, удачно сочетающие в себе раннеспелость, продуктивность и комбинационную способность.

– Разработана и внедрена в практику схема создания ультрараннеспелых гибридов кукурузы и показана возможность получение генотипов пригодных для возделывания в районах с ограниченной теплообеспеченностью.

– Подтверждена экспериментальными данными возможность создания нового исходного материала для селекции гибридов кукурузы, в генотип которых введены факторы обуславливающие раннеспелость и позднеспелость, наследующих скороспелость от раннеспелого продуктивность и устойчивость к неблагоприятным условиям среды от позднеспелого родителя.

– Предложена схема создания линий кукурузы второго цикла отбора на специально создаваемых гибридах.

– При создании исходного материала для селекции гибридов пищевого использования, показана возможность выведения линий кукурузы с заданными параметрами.

– Создан новый исходный материал для селекции гибридов сахарной кукурузы сочетающий в одном генотипе две рецессивные мутации sugari 1 (su1) и shrаnken 2 (sh2) с целью улучшения углеводного состава зерна с приданием ему других новых ценных свойств.

– На примере полученных линий и гибридов лопающейся кукурузы, в условиях Центральной зоны Краснодарского края, изучена сопряженность признаков взрываемости зерна с элементами структуры урожая, условия его хранения в послеуборочный период.

– На основе находящихся в селекционной проработке линий и гибридов предложена шкала оценки технологических качеств зерна лопающейся кукурузы.

– Созданы стерильные аналоги и аналоги восстановители фертильности для производства гибридных семян F 1 районированных и перспективных гибридов кукурузы пищевого использования.

– Новизна наших исследований подтверждена авторскими свидетельствами и патентами на шесть самоопыленных линий и восемь родительских особей, которые являются исходными формами девяти районированных или переданных в Государственное сортоиспытание гибридов и популяций кукурузы.

– С участием автора создано и включено в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в Российской Федерации двадцать два гибрида и популяций кукурузы. Гибриды районированы в одиннадцати регионах включающих в ареал семьдесят два края, области и республики Российской Федерации.

– Проходят, государственное испытание в семи регионах России пять гибридов и одна популяция кукурузы, в создании которых принимал участия автор.

– Разработаны методические указания по производству гибридных семян кукурузы в Российской Федерации.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях методической комиссии Краснодарского НИИСХ (1995, 1997, 2гг.), на Международной конференции, посвященной 100 лет со дня рождения академика (г. Днепропетровск, 1997 г.), на научно-практической конференции «Зеленая революция » (г. Краснодар, 2001 г.), на научно-практической конференции «Достижения, направления развития сельскохозяйственной науки России» (г. Ростов-на-Дону, 2005 г.), на XV Международном симпозиуме «Нетрадиционное растениеводство. Эниология. Экология и здоровье» (г. Симферополь, 2006 г.), на Юбилейной Международной НПК «Состояние и перспективы развития агрономической науки», посвященной 100-летию сельскохозяйственного образования на Дону (п. Персианский, 2007 г.), на II Вавиловской Международной научно-практической конференции «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке: состояние, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2007 г.), на IV Международном конгрессе «Зерно и хлеб России» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.).

По материалам диссертации опубликовано 43 научных работ, в т. ч. 7 в рекомендованных ВАК изданиях, получено 34 авторских свидетельств и патентов на гибриды, популяции, линии и родительские формы кукурузы.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, предложений селекционной практике и производству, списка использованной литературы и приложений.

Работа написана на 396 страницах машинописного текста, включает 120 таблиц, 23 рисунка и 62 приложений. Список использованной литературы содержит 283 источников, в том числе 113 иностранных авторов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Эффективность двадцати циклов рекуррентного отбора на ранее цветение в позднеспелых популяциях кукурузы.

2. Характеристика популяций разных циклов отбора по комбинационной способности.

3. Влияние условий выращивания на урожайность и другие признаки растений тесткроссов популяций поздних циклов отбора.

4. Создание и оценка нового исходного материала кукурузы зерно-силосного назначения с использованием популяций разных циклов отбора на раннее цветение.

5. Выведение и оценка нового исходного материала для селекции раннеспелых и ультрараннеспелых гибридов кукурузы с использованием метода рекуррентного отбора в зубовидных популяциях поздних циклов отбора и раннеспелых кремнистых популяциях.

6. Селекция и оценка нового исходного материала в генотип которых включены раннеспелые и позднеспелые линии кукурузы.

7. Создание и оценка новых линий кукурузы второго цикла отбора для селекции среднеранних и среднеспелых гибридов кукурузы зерно-силосного использования.

8. Выведение и оценка синтетических популяций кукурузы зерно-силосносного и пищевого использования.

9. Создание и оценка нового исходного материала для селекции гибридов пищевого использования.

10 Использование цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) в селекции гибридов пищевого назначения.

Условия, исходный материал и методика исследований

Основная часть исследований выполнена в ГНУ Краснодарский НИИСХ им. (КНИИСХ) в 1993 – 2008 годах, расположенном в Центральной зоне Краснодарского края. Испытания популяций и их тесткроссов проводились также на Северо-Кубанской сельскохозяйственной опытной станции (СКСХОС), станица Ленинградская, Северная зона Краснодарского края и в НИИСХ Центрально-Черноземной полосы им. (пос. Каменная степь Таловского района Воронежской области).

Экологическое сортоиспытания гибридов кукурузы по годам исследований проводились в нескольких пунктах различных агроклиматических зон Российской Федерации в рамках программы ЭСИ «Север» и по линии двухсторонних договоренностей о научно-техническом сотрудничестве.

Климатические условия были типичными для зон. Климат центральной и северной зон Краснодарского края формируется в основном, под влиянием атлантических и средиземноморских воздушных масс, что делает его умеренно континентальным.

По многолетним данным среднегодовое количество осадков в КНИИСХ и на СКСХОС составляло 603 и 507 мм, а за период вегетации кукурузы (май – август) 214 и 227 мм соответственно, при неравномерном их распределении.

НИИСХ ЦЧП расположен в зоне переходной от степей к лесостепям. Климат континентальный. Сумма положительных температур за период со средней суточной температурой воздуха выше 10ºС составляет 2700ºС. Сумма осадков за год 459 мм, а за май – август – 206 мм.

Дефицитом осадков характеризовались 1994, 1996, 2001, 2003 годы. При этом в 1994, 1996 и 2007 годах основной дефицит влаги пришелся на период вегетации кукурузы, а в 2001 и 2007 году осадки в период вегетации распределились крайне неравномерно и сопровождались резким снижением влажности воздуха в период цветения кукурузы.

Проведение экологических сортоиспытаний гибридов кукурузы в различных почвенно-климатических условиях (Центральном, Центрально-Черноземном, Северо-Кавказском, Средневолжском, Уральском и Западно-Сибирском регионах) позволило всесторонне оценить анализируемый материал. Большинство представленных агроклиматических зон обладали колебаниями эффективных температур, иногда недостаточным увлажнением, большим варьированием количества выпавших осадков по годам и крайне неравномерным их распределением в течение года.

Материалом для исследований служили восемь позднеспелых популяций кукурузы, присланных в 1978 году профессором Р. Ламбертом из Иллинойского университета (США): BS 10, BS 3, BS 16, IELS, RDAI, RDYTE, RDAC 4 и RSSSCPR. Популяции кукурузы обладали широкой генетической основной и хорошей комбинационной способностью.

Ежегодно выращивалось около 600 растений каждой популяции. В скрещивание вовлекались 30 наиболее раноцветущих растений. Семена с каждого опыленного растения обмолачивались отдельно и на следующий год высевались посемейно. В работу брали не более трех растений с ряда, чтобы не происходило быстрого сужения генетической основы популяций.

В каждой популяции проводили подсчет числа листьев, измеряли высоту растения и прикрепления початка. Учет полегших растений, влажности зерна проводили на момент уборки урожая. Для оценки комбинационной способности популяций кукурузы 0, 5, 9, 12 и 14 циклов отбора были использованы пять тестеров различных гетерозисных групп.

При создании исходного материала для селекции ультрараннеспелых кремнистых линий кукурузы были использованы пять раннеспелых кремнистых популяций кукурузы, с закрытой генеалогией, созданных в США, Германии, Польше и России.

При создании линий кукурузы второго цикла отбора был использован исходный материал из генетической коллекции Краснодарского НИИСХ.

В селекционный процесс по созданию линий и гибридов сахарной кукурузы, на различных этапах исследований, было привлечено 52 сортообразца из трех стран СНГ, а также США и Японии. Двенадцать сортообразцов имели мутацию эндосперма su1, остальные sh2. Вкусовые качества зерна сахарной кукурузы определяли органолептическим и биохимическим методами.

При создании исходного материала для селекции линий и гибридов лопающейся кукурузы было изучено 100 сортообразцов с различным типом зерна: 69 с желтой перловой и 31 образец белой рисовой лопающейся кукурузы из девяти стран СНГ, США, Аргентины, Польши, Словакии и Китая. Технологические качества зерна линий и гибридов лопающейся кукурузы рассчитывали по отношению объема зерна после переработки (поджаривания) к его объему до переработки (Коэффициент увеличения объема, КУО). В опытах при переводе гибридов пищевого использования на стерильную основу использовался Молдавский (М) и Бразильский (С) типы ЦМС.

Опыты по изучению линий и новых гибридов кукурузы проводили по методикам ВИР (1980), Госкомиссии по сортоиспытанию и охране селекционных достижений (1989) с учетом общепринятой для зоны технологии.

Испытание популяций per se проводили в двукратной, а тесткроссов - в трехкратной повторности. Площадь делянки 4,9-19,6 м². Делянки были двух и четырехрядковые. Ширина междурядий 0,7 м, густота стояния 40-60 тыс. растений на 1 га.

Экспериментальные данные обрабатывали различными методами биометрической статистике на ПЭВМ (, 1985, и др., 1980).

Тесткросный анализ проводился по (1973).

Селекционный индекс рассчитан по (1992), как частое от деление урожайности зерна в ц/га на его уборочную влажность (%).

Для определения селекционной ценности сортов использована усовершенствованная (2004) формула (1978).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Эффективность рекуррентного отбора на раннее цветение в позднеспелых зубовидных популяциях кукурузы

Важная роль в повышении генетического разнообразия кукурузы принадлежит синтетическим популяциям (, 1935).

Впервые принципы улучшения популяций методом селекции были предложены Н. К. Hayesu и R. J. Gaber (1919). Наиболее детальное описание основных селекционных приемов при использовании этого метода сделано M. E. Jenkins (1940). (1955) разделил методы рекуррентного отбора на несколько групп в зависимости от предположительного типа действия генов.

В данном разделе предполагается рассмотреть эффективность одного из них – простого (фенотипического) рекуррентного отбора, проводимого внутри популяций.

Данный вид отбора наиболее эффективен для признаков с высокой наследуемостью, которые можно точно измерить или оценить визуально.

Основной задачей наших исследований, при проведении рекуррентного отбора на раннее цветение, было создание нового исходного материала для селекции гибридов кукурузы раннеспелой и ультрараннеспелых групп спелости.

За период научных исследований в Краснодарском НИИСХ, в том числе с участием автора, проведено двадцать циклов отбора на раннее цветение в восьми позднеспелых популяциях кукурузы. На различных этапах отбора одной из наших задач было изучение основных признаков популяции при возделывании их в нескольких агроклиматических зонах. Поставленный в 1995 году эксперимент по реакции популяций на различные условия среды выявил существенную зависимость места испытания на длину межфазного периода всходы – цветение початков (Рисунок 1).

Как показали результаты наших исследований высокие температуры воздуха, особенно второй половины лета, способствовали более интенсивному развитию растений в Центральной и Северной зонах Краснодарского края (КНИИСХ и СКОС). Несмотря на то, что на севере края цветение популяций всех циклов отбора было несколько позднее, различая с Краснодаром по данному признаку, были не очень значительными: для нулевого, пятого и девятого цикла 2,3 – 3,5 дня, для двенадцатого и четырнадцатого 1,9 дня.

Рисунок 1 – Продолжительность периода всходы-цветения початков (среднее по 8 популяциям) по пунктам изучения, 1995г.

В условиях Центрально-Черноземного региона (Воронежская область) накопление суммы эффективных температур шло значительно медленнее. В результате, продолжительность периода всходы-цветение початков, в среднем по восьми популяциям и циклам отбора, была значительно выше. В частности, у оригинальных популяций, цветение початков наступало почти на 19 дней позже, чем в Краснодаре. В результате отбора на раннее цветение продолжительность периода всходы-цветение в КНИИСХ и на СКОС сокращалась в среднем по восьми популяциям на 1,30 – 1,28 дня за цикл отбора (18 дней за период отбора), а в НИИСХ ЦЧП на 2,07 дня или 29,5 дней за четырнадцать циклов отбора. Отбор на раннее цветение оставался эффективным селекционным приемом по сокращению длины вегетационного периода и после 14 циклов, что говорит о сохранении в популяциях достаточного генетического разнообразия (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Изменение продолжительности периода всходы-цветение початков у 8 популяций кукурузы по циклам отбора, Краснодар 2000 г.

В 2000 году в условиях центральной зоны Краснодарского края изучено 8 популяций кукурузы Per Se 0, 5, 10, 15 и 20 цикла отбора. Популяции кукурузы по-разному реагировали на отбор на раннее цветение. За первые пять циклов наиболее отзывчивой на отбор была популяция BS 3 (2,0 суток за цикл). После десяти циклов отбора BS 16 (1,7 суток), после 15 циклов IELS и BS 3(1,4 суток), с 15 по 20 цикл BS 10 (1,0 суток за цикл). Несмотря на то, что после 20 циклов отбора наиболее рано цветущей была популяция IELS, (35 дней от всходов до цветения початков). Максимальное же сокращение вегетационного периода достигнуто в более позднеспелых популяциях кукурузы BS 10 и BS 3 – 24 дня за период отбора (1,2 суток за цикл). Притом, что в среднем по восьми популяциям эти величины составили соответственно 22,2 дня или 1,10 суток за цикл. Наиболее интенсивное снижение длины межфазного периода, в среднем по восьми популяциям, было отмечено в течение первых десяти циклов отбора – 1,5 суток за цикл. Накопление аллелей, связанных с раннеспелостью, привело к снижению скорости сокращение периода всходы-цветение в последующих циклах отбора почти вдвое.

В результате отбора на раннее цветение изменялся целый ряд признаков, в частности условие среды оказали заметное влияние на величины количественных признаков. В результате отбора высота растений синтетиков кукурузы, в среднем по 8 популяциям уменьшилась в КНИИСХ и НИИСХ ЦЧП соответственно на 89,8 – 98,1 см (6,41 см – 7, 01 см за цикл отбора). Варьирование значений этого признака по результатам отбора в пунктах изучения находилось в пределах 13,0 – 18,2%. Различия по высоте прикрепление початков в пунктах изучения были не очень значительными. В условиях Центральной зоны Краснодарского края наиболее существенный сдвиг по этому признаку произошел у популяции RDAC 4 (5,8 см за цикл), а в условиях Воронежской области у синтетика RDAI (5,5 см за цикл). В среднем по 8 популяциям высота прикрепления початка в условиях Краснодара снижалась за цикл отбора на 4,5 см, в НИИСХ ЦЧП на 4,8см. Наиболее существенное уменьшение числа листьев, высоты растений и прикрепления початка по результатам отбора происходило, как правило, в более позднеспелых популяциях кукурузы.

В условиях Краснодара вегетационный период изучаемых популяций кукурузы не лимитирован.

Лимитирующим фактором в Центральной зоне Краснодарского края, как правило, бывает недостаточное увлажнение. Приспособленные к благоприятным условиям Кукурузного пояса США оригинальные синтетики кукурузы не всегда могли реализовать свой генетический потенциал.

На начальных этапах отбора и, особенно, в засушливые годы для популяций кукурузы было характерно большое количество бесплодных растений по причине значительного разрыва во времени цветения метелок и початков.

Для быстрого сокращения разрыва между цветением метелок и початков пыльца при опылении, в соответствии с методикой, бралась лишь от растений, у которых цвели одновременно мужские и женские соцветия. Проявление данного признака было характерно для более засухоустойчивых форм. В результате синтетики пятого цикла были хорошо адаптированы к зоне, в которой проводился отбор. Их продуктивность, несмотря на отбор, была достаточно высокой, а урожайность некоторых из них даже возрастала в условиях недостаточного увлажнения (Таблица 1).

Уменьшение продолжительности вегетационного периода снижало потенциальную продуктивность популяций кукурузы в условиях юга России.

Таблица 1 – Урожайность восьми популяций кукурузы различных циклов отбора ц с 1 га, 2000 год, Краснодар

Популяция	Циклы отбора	За цикл отбора
0	5	10	15	20
RDAI	59,6	55,5	45,4	30,8	25,6	1,7
BS10	51,7	43,3	32,6	27,9	16,4	1,8
IELS	50,5	46,1	34,0	29,4	18,3	1,6
BS3	52,6	61,5	44,2	31,4	28,8	1,2
RDYTE	47,2	42,6	38,9	29,4	25,6	1,1
RDAC4	59,8	60,1	36,7	28,8	18,2	2,2
BS16	50,0	54,1	41,0	27,0	24,4	1,3
RSSSCPR	59,0	56,6	40,0	30,0	24,8	1,7
Среднее	53,8	52,5	39,1	29,3	22,8	1,6
Стандарт	69,6	64,7	48,8	36,8	35,5
НСР0,05	4,6	4,3	5,0	4,6	4,3

Взаимодействие генотип х условия окружающей среды, генотип х год испытания существенно влияют на продуктивность популяций кукурузы и затрудняют быструю идентификацию наиболее ценных генотипов. Двухфакторный дисперсионный анализ не выявил существенного влияния фактора "год испытаний" на величину продуктивности популяций, т. к. количество осадков по годам испытаний было сходным (таблица 2).