Разработка способов и схем выращивания фабричных семян мужскостерильных гибридов сахарной свеклы

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» поставлена задача довести среднегодовое производство сахарной свеклы до 100−103 млн. тонн, повысить выход сахара с каждого гектара посева.

В решении поставленной задачи наряду с комплексом других мероприятий большая роль принадлежит внедрению в производство новых высокопродуктивных сортов и гибридов, совершенствованию системы семеноводства, переводу его на промышленную основу. Особо важное значение имеет создание и быстрейшее внедрение в производство односемянных гибридов, созданных на основе цитоплазма-тической мужской стерильности (ЦМС), наиболее полно отвечающих требованиям индустриальной технологии возделывания сахарной свеклы.

Обычно при свободном опылении обоеполых растений свеклы не достигается полного перекреста между компонентами и наряду с гибридами получаются формы материнского и отцовского типов, что снижает эффект гетерозиса. Использование в качестве материнской формы односемянных мужскостерильных линий, не способных к образованию жизнеспособной пыльцы и самоопылению, а в качестве опылителей — фертильных многосемянных диплоидных или тетраплоидных линий, гибридов или популяций, подобранных по их комбинационной ценности, дает возможность регулировать процесс гибридизации. Для промышленных целей используют семена только с мужскостериль-ного односемянного компонента. Обычно они характеризуются высокой степенью односемянности (95−100 $) и гибридности, хорошей всхожестью. Последнее, как известно, зависит не только от уеловий выращивания, но и от опылителя. Однородность семенного материала позволяет довести его до высоких посевных кондиций, высевать семена на заданное расстояние, исключив трудоемкую ручную прорывку растений.

В последние годы во многих свеклосеющих странах (Швеция, ФРГ, Франция, Бельгия, Голландия и др.) в производстве нашли широкое применение диплоидные и триплоидные гибриды сахарной свеклы на стерильной основе. В США выращивают только односемянные диплоидные гибриды, созданные на основе ЦМС.

Однако семеноводство гибридов сахарной свеклы на стерильной основе сложнее, чем семеноводство других сортов и гибридов. В выращивании фабричных семян этих гибридов за рубежом применяется два способа: раздельный и смесью компонентов. При раздельном способе семенники мужскостерильного компонента и многосемянного опылителя выращивают чередующимися полосами, семена убирают только с мужскостерильной формыпри выращивании смесью компонентов клубочки многосемянного опылителя удаляют в процессе обработки на семенных заводах.

Выбор способа и схемы выращивания гибридных семян зависит от характера роста и пыльцеобразовательной способности опылителя. Поэтому при разработке схем выращивания семян этих гибридов предварительно изучают биологические особенности компонентов, применяя различные соотношения посадки или посева компонентов скрещивания.

В нашей стране проводится большая работа по созданию гибридов сахарной свеклы на стерильной основе. За последние годы ряд таких гибридов передан в государственное сортоиспытание, на 1981 год впервые районирован гибрид Юбилейный, с 1983 года районирован Межотненский гибрид 18. В соответствии с Украинской республиканской целевой комплексной научно-технической программой.

Сахар" гибрид Юбилейный к концу одиннадцатой пятилетки должен занять значительные площади посева фабричной свеклы. Это требует как увеличения объемов производства гибридных семян, так и повышения их качества.

Однако приемы семеноводства и технология выращивания фабричных семян отечественных гибридов на стерильной основе до последнего времени не изучались.

Поэтому научной новизной и целью наших исследований явилось изучение, с учетом биологических особенностей компонентов скрещивания, эффективности различных способов и схем выращивания семян первых отечественных диплоидных и триплоидных гибридов сахарной свеклы, созданных на основе ЦМС, и разработка для семеноводческих хозяйств наиболее рациональных схем выращивания гибридных семян при использовании существующих средств механизации.

Практическим результатом проведенных исследований являются рекомендации по выращиванию семян гибридов сахарной свеклы на стерильной основе, которыми пользуются семеноводческие свекловичные совхозы Украинской ССР.

Результаты проведенных исследований доложены на советско-польском симпозиуме (Киев, 1980 г.), на научно-методическом совещании по семеноводству гибридов сахарной свеклы на основе ЦМС (Белая Церковь, 1980 г.), на конференции молодых ученых ВНИС (Киев, 1981 г.), на семинаре-совещании по особенностям семеноводства семян гибридов, созданных на основе ЦМС (Ульяновский сахком-бинат Кировоградской обл., 1981 г.), на расширенном научно-методическом совещании отдела семеноводства и семеноведения ВНИС (Киев, 1981 г., 1984 г.).

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

I.I. Цитоплазматическая мужская стерильность и проявление ее у сахарной свеклы.

Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) проявляется в неспособности к нормальному развитию мужских репродуктивных органов (недоразвитость пыльцы) при нормальном развитии женских генеративных органов (Н.Э. Банковская, I960, 1967; И. Я. Балков, 1964, 1978; Н. А. Неговский, 1967; 1=. Ои/-еч, 1942, 1945;

1958, 1964; U. ПоЛгъ^&еА, 1965).

Об аномальных цветках сообщали еще в 1694 году Р. Камерер и в 1761 году И. Кельрейтер (И.Я. Балков, 1967). К. Гертнер iC.^w 1844) более IOO лет назад назвал это явление кон-табесценцией, а Ч. Дарвин {ок.®-* J890) такие факты рассматривал как склонность вида переходить от однодомности к двудомности, которую в эволюционном отношении он считал более совершенной.

Впервые ЦМС описал К. Корренс в 1904 году у огородного растения летнего чабера, все потомство которого между линией, дававшей только женские цветки, и женской однодомной линией было женским (то есть с мужской стерильностью), подобно материнскому растению (b.&uwicL t 1959). в 1921 году В. Бетсон и А. Гайднер (м/. $&U-*>c>u unci у q-oiuxp, 1921) обнаружили и описали мужскую стерильность у льна-долгунца и льна масличного, в 1928 году Ф. Оуэн — у сои (р. Оми9 1928). В 1929 году А. И. Купцов обнаружил ЦМС у подсолнечника (Г.В. Гуляев, 1971). В 1932 году М.й. Хаджинов и американский генетик М. Роде обнаружили мужскую стерильность у кукурузы (М.й. Хаджинов, 1962, 1968). В 1942 году первую статью о ЦМС сахарной свеклы опубликовал Ф. Оуэн (, 1942).

В 1946 году В. Майерс (и/. f 1946) открыл ЦМС у ежи сборной, в 1950 году ее обнаружили у сорго (В.К. Сальников, I960-^. Utp&wh, П. MMolcL, 1954; 0. , 1959). В начале 50-х годов И. (1951) и^. Fи1953) получили ЦМС у пшеницы. В то же время Джустус и Лайтберг, а позднее Роке находят формы с ЦМС у хлопчатника (2>, ?>iAviik, 1959).

В настоящее время ЦМС открыта и описана, по данным В. А. Крупнова (1973), более чем у 100 видов цветковых растений, представляющих почти 20 семейств обоих классов — однодольных и двудольных. Мужская стерильность, по Г. В. Гуляеву (1971), проявляется в следующих основных формах:

— мужские генеративные органы — тычинки — совершенно не развиваютсяподобное явление наблюдается у растений некоторых видов табака;

— пыльники в цветках образуются, но пыльца нежизнеспособнаэта форма стерильности чаще встречается у кукурузы;

— в пыльниках образуется нормальная пыльца, они растрескиваются, но пыльца не попадает на рыльцеэто очень редкое явление наблюдается иногда у некоторых сортов помидоров.

Мужская стерильность у растений может быть вызвана как генетическими факторами, так и условиями среды (Е.И. Люлькина, Н. В. Атрашенок, 1979). Гипотезы о происхождении ЦМС высказывали Н. Э. Зайковская (1967), А.й. Палилова (1969), Г. В. Гуляев (1971), И .И. Хаджинов и Э. И. Вахрушева (1979), У • Bqud^ow (1964), 3>.&-МЖ (1965) и др. Д. Эдвардсон (V. Ыгь>алс1щ} 1956) по происхождению разделяет ЦМС на три типа: гибридную, спонтанную и мутационную.

Существуют и другие взгляды на природу ЦМС. В целом можно назвать следующие причины ЦМС;

Гибридная ЦМС. Возникает в результате переноса генома одного.

— б вида или расы в цитоплазму другого вида или расы. Такой путь возникновения ЦМС многократно показан у разных видов пшеницы, табака, картофеля, льна, сорго и многих других культур.

Популяционная (спонтанная) ЦМС. Обнаруживается в популяциях перекрестно опыляющихся растений. Истинные причины названием не вскрываются. Типичный пример — случай нахождения такой ЦМС у кукурузы, свеклы, лука.

Мутационная ЦМС. Результат изменения ДНК определенных орга-нелл цитоплазмы. Подтверждение этой гипотезы на примере высших растений долгое время не находили. Случаи возникновения форм с ЦМС среди закрепителей стерильности говорят в ее пользу, однако прямых доказательств, несмотря на обширные работы по экспериментальному мутагенезу, до сих пор не представлено.

Прививочная, или инфекционная (вирусная) ЦМС. В прошлом эта причина возникновения ЦМС обсуждалась неоднократно. Допускалось, что ЦМС возникает в результате специфического влияния вируса или введения пластических веществ жизнедеятельности стерильных растений путем прививки (петуния и свекла). Эти работы не получили единодушного признания, поскольку не согласуются с рядом закономерностей, известных для ЦМС.

Был сделан ряд попыток использовать гаметоцидные действия некоторых химических препаратов для получения мужскостерильных растений. В ряде случаев были получены весьма обнадеживающие результаты (препарат^-450 на белом и красном клевере), но поскольку под воздействием гаметоцидов, кроме пыльцы, оказываются пораженными и другие части растений, использование генетического метода более надежно 1964; J- .Мии^ъь-у, 1967; р т fcivurteAiib. t /Иьуоо, 1968).

Механизм передачи по наследству ЦМС полностью еще не раскрыт, но, по мнению И. Я. Балкова (1978), эти формы характеризуются:

— особым типом цитоплазмы, точнее, иным сочетанием цитоплазмы и генома, чем у фертильных растений;

— эффект цитоплазмы проявляется лишь при наличии определенных генов, число и состояние которых считается специфическим для каждой культуры;

— на фенотипическое проявление ЦМС влияют гены-модификаторы, а также внешние факторы, действие которых зачастую изменяет картину наследования признака стерильность-фертильность.

Отличительные признаки ЦМС — общие для всех форм, однако каждый вид имеет свои особенности. Рассмотрим это на примере сахарной свеклы.

Впервые растения со стерильной пыльцой у сахарной свеклы обнаружил Архимович в 1931 году, но эта находка была утрачена и забыта floftUcb-, 1955). О стеррьных расах сахарной свеклы сообщил в 1939 году селекционер Ивановской опытной станции О. Ф. Гельмер, который в 1937 году получил на их основе диплоидные гибриды.

Первая получившая общее признание мужскостерильная сахарная свекла была найдена на семенной плантации в пункте Сант-Джордж (штат Юта) Ф. Оуэном Owe*, 1942). Он обнаружил ее в устойчивом к курчавости сорте М-% -j. Около 2% растений его были муж-скостерильными. Ф. Оуэн собрал полученные в результате перекрестного опыления семена с мужскостерильных растений и в течение ряда лет интенсивно изучал генетические и цитоплазматические факторы, обуславливающие этот признак (Р. ди/ец, 1942, 1945, 1947, 1948, 1950, 1952).

Фенотипичеекая сахарная свекла, обладающая ЦМС, по внешним признакам отличается от обычных фертильных главным образом строением цветка (И.Я. Балков, 1978; F. (Vj>m, 1942, 1945;^. 1964 и др.).

Визуально их можно определить за 3−5 дней до раскрытия цветка, еще более четко морфологические признаки стерильности пыльцы обозначаются после его раскрытия. Пыльники стерильных по пыльце растений меньше по размеру, сморщенные, иногда кожистые, белые, часто быстро темнеющие (Н.Э. Зайковская, I960). Пыльники у форм сахарной свеклы с ЦМС не растрескиваются и 3−5 дней держатся на цветке (И.Я. Балков, 1978).

По данным И. Я. Балкова (1978), для всех источников ЦМС сахарной свеклы наиболее характерны две особенности:

— как правило, это сорта и селекционные материалы с повышенной сахаристостью (среди европейских — Янаш I и Удыч А, среди американских — и ^S-33);

— в каждом из них встречаются растения как с полной, так и с частичной стерильностью пыльцы, которые проявляются у разных сортов с различной частотой.

Генетическую природу ЦМС и опылителей-закрепителей стерильности (названных в честь Ф. Оуэна линиями 0-типа) Ф. Оуэн изложил в своих трудах в 1942, 1945 и 1950 годах (Qww, 1942, 1945, 1950). Он установил, что наследование мужской стерильности является сложным. Оно не соответствует моногенному типу наследования. Необходимы, по меньшей мере, два дополнительных ядерных гена, чтобы объяснить такое селекционное поведение. Кроме того, с ним связано материнское или цитоплазматическое влияние, доказательством чего являются результаты реципрокных скрещиваний, которые проводил Ф. Оуэен.

В дальнейшем многими исследователями (В.П. Зосимович, I960- Н. А. Неговский, 1967; Г. В. Гуляев, 1971; ^ • Ц. Тбиш.

1957; У. fh<**dl!ow, 1964; U. ЯЛг^Ыс t 1965; J 1967) было подтверждено, что признак стерильности пыльцы передается через цитоплазму и имеет стабильный характер.

В связи с тем, что ЦМС наследуется по материнской линии для ее закрепления в потомстве требуется использование специальных опылителей-закрепителей (А.Н. Данилова, 1969; f, О^и, г 1950).

Растения — закрепители стерильности (О-типа) — это фертиль-ные растения, которые обладают способностью давать при скрещивании с мужскостерильными линиями потомства, содержащие только мужскостерильные формы. Ф. Оуэн (Г. ди/еи, 1950) генетически обозначил их состав Л/мъъ в он выделил два типа цитоплазмы: цитоплазму нормальных растений с мужской стерильностью (/О и цитоплазму растений с мужской стерильностью (5). Дополнительные ядерные гены были обозначены /иг.

Эти гены обуславливают полную стерильность пыльцы только тогда, когда являются удвоенными рецессивами. Пыльцестерильное растение имеет состав Зцгъ-. Пыльники таких растений белые, восковидные или зеленоватые с недоразвитой, нежизнеспособной пыльцой.

Если мужской опылитель переносит пару генов, простую или удвоенную гетерозиготную, тогда в потомстве возникают полустерильные растения с возможным составом Sfax Jwh, Sw^- полустерильные растения первого типа (½ MCI). Они имеют желтые пыльники, которые обычно не раскрываются или раскрываются, но не высыпают пыльцевые зерна, которые к тому же мелкие и нежизнеспособные.

S**h .SMU.Shl*. S*№. полустерильные растения второго типа (½ MG2). Для них характерно наличие дополнительных генов в гетерозиготном или доминантном гомозиготном состоянии. Эти растения имеют желтые пыльники и содержат смесь жизнеспособной и нежизнеспособной пыльцы.

В последующем многие исследователи (Н.Э. Зайковская, I960;

В.П. Зосимович, I960- В. И. Коваленко, 1970; , 1955; J/. Qauddoti, 1964; и/. H&ftstfcek, 1965), будучи в генетическом отношении согласны с Ф. Оуэном, отмечали в характере наследования ЦМС некоторые отклонения и предлагали несколько измененные классификации типов стерильности, однако эти предложения не были приняты. Учитывая, что фенотип может быть достаточно лабильным, а по характеру пыльцы типы стерильности у свеклы тождественны во всем мире, классификацию Ф. Оуэна можно считать наиболее правильной и удобной для пользования (В.П. Зосимович, I960;

A.M. Макогон, Н. А. Неговский, 1965).

На проявление стерильности у сахарной свеклы, кроме генотипа, большое влияние оказывают факторы внешней среды (условия освещения, питания, влажность, температурный режим и др.). Это было доказано многими исследователями (Н.Э. Зайковская, I960;

B.П. Зосимович, I960- И. И. Жигайло, 1963; И. Я. Балков, 1965, 1978; Е. С. Вржещ, 1967; Н. И. Прядко, 1972; Г-. (W*, 1945, 1950; У. &сгнс (?ои/t х957> 1958;^. 1966).

По результатам их исследований наиболее стабильными являются полностью стерильные растения, в то время как полустерильные более изменчивы. По данным Н. И. Прядко (1972), у некоторых растений встречаются цветки с пыльниками различных типов стерильности. Однако в опытах^. (1964) в течение 10 лет первоначально установившаяся стерильность пыльцы в основном сохранялась без изменения до конца цветения.

По наблюдениям Хогабаума (цит. по V. , 1964), рано раскрывшиеся цветки имеют почти белые сморщенные пыльники, а более поздние цветки — желтые пыльники с пыльцевыми зернами. По данным Н. Э. Зайковской (I960), напротив, ранние цветки — фер-тильные, поздние — стерильные.

Так как у сахарной свеклы, в отличие от большинства других культур, встречается большое количество полустерильных форм, многих исследователей интересовал вопрос, может ли пыльца полустерильных форм оказывать влияние на результаты скрещиваний, В литературе по этому вопросу встречаются противоречивые данные. Если Г'. О^-^ч (1945), <Г. *" у/Ч1955), Ч. fiaudlow (1964) после скрещиваний с полустерильной свеклой получали лишь незначительное завязывание семян, то Хогабаум (цит. по К, ОЛ^с&ьоМ, 196Ю считал, что полустерильные особи могут становиться полностью фертильными под влиянием того или иного фактора.. /idb$cte4t (1965) на основании своих исследований пришел к выводу, что с точки зрения практической селекционной работы полустерильные растения можно считать равноценными мужско-стерильным. Он считает, что цризнак стерильности пыльцы у диплоидной и тетраплоидной сахарной свеклы наследуется одинаково.

Для вскрытия сущности явления ЦМС многими исследователями были проведены цитоэмбриологические и гистохимические исследования (Н.Э. Зайковская, I960- В. Е. Белоус, 1967; Н.Э. Зайков-ская, Т. П. Жужжалова, И. Я. Балков, 1970; Н. И. Прядко, 1972; Э. И. Ширяева, Г. И. Ярмолюк, 1979; С. A^cAkhl^ t 1947). Было установлено (Н.Э. Зайковская, I960- И. Я. Балков, 1978; Э. И. Ширяева, Г. И. Ярмолюк, 1979; А. И. Косова, 1979), что у форм с ЦМС и у обоеполых растений в пыльниках процесс начального деления половых клеток (мейоз) во всех деталях совпадает. Однако у стерильных растений с момента образования тетрад начинается разрушение тапетума, выстилающего изнутри клетки пыльника, а их содержимое сливается с периплазмодием.

В связи с таким поведением тапетума Н. Э. Зайковская (1966), Г. К. Алимова (1968), Г. К. Адамчук (1971), А. Ф. Здрилько, Г. К. Адамчук (1975), В. К. Симоненко (1979), €. ^UcA^^t.

1947), р. Kiu-OAokita f 4 ,/I/apo (j968) связывали причину абортивности пыльцы с гипертрофией тапетума. В то же время Л. И. Орел (1972), М. И. Рябинина (1976), В. П. Жеребцова, Л.Г. Ро-маненко (1979) в своих исследованиях не обнаружили отклонений от нормы в развитии и сроках дегенерации тапетального слоя муж-скостерильных форм по сравнению с фертильными.

По мнению Л. И. Орел (1972), Н. Э. Зайковской и В. Е. Белоус (1979), нельзя считать изменения тапетума причиной отмирания пыльцы, было бы правильнее предположить обратное — отмирание микроспор, у которых еще в тетрадах отсутствует иногда формирование ядер, что вызывает отмирание тапетума, сопровождаемое отсутствием формирования спорополленина. По данным Н. Э. Зайковской и В. Е. Белоус (1979), нарушения в тапетуме проявляются после завершения мейоза, в течение которого все сопутствующие трофические процессы в тканях пыльника протекают нормально.

Е.А. Голубевой (1979) были изучены особенности ультраструктуры пыльников сахарной свеклы. Она пришла к выводу, что у растений с ЦМС отсутствует один структурный компонент наружной тапетальной пленки — палочковидное образование, что позволяет предположить взаимозависимость и взаимообусловленность двух явлений — образование периплазмодия и изменения ультраструктуры тапетальных клеток.

Некоторые авторы считают, что дегенерация микроспор у форм с ЦМС происходит вследствие недостаточного притока питательных веществ. В частности U. ЬсЛь^ьеМ. (1965) отмечает снижение проводящей способности тычинковидной нити, в то время как Т. П. Жужжалова (1972) в своих исследованиях обнаружила одинаковое поступление питательных веществ как у стерильных, так и у фертильных форм. Тщательное изучение фенотипических, цитологических, физиолого-биохимических особенностей проявления ЦМС у разных культур показало, что пыльцевая стерильность и нарушение развития андроцея не единственные изменения в онтогенезе мужско-стерильных форм. Структурные и биохимические отклонения от нормального развития обнаружены в разных органах и тканях стерильных растений (А.Н. Дмитриева, О. Е. Хавжинская, 1966; В.А. Круп-нов, 1973; З. И. Лосева, 1974).

Гистохимическим методом Н. Э. Зайковской и В. Е. Белоус (1979) установлено значительное снижение ферментативной деятельности в пыльниках растений с ЦМС, что связано со снижением метаболической активности и ведет, по их мнению, к дегенерации пыльцы.

Растения сахарной свеклы со стерильной и фертильной пыльцой значительно различаются между собой по таким жизненно важным процессам, как синтез аминокислот, каротиноидов, Сахаров, крахмала (В.Е. Белоус, 1967; Э.й. Ширяева, Н. Э. Зайковская, 1967; А. Н. Палилова, 1969; Н. Э. Зайковская, Т. П. Жужжалова, И. Я. Балков, 1970; Н. И. Прядко, 1972; Т. П. Жужжалова, 1972; Н. Э. Зайковская, Г. И. Ярмолюк, Л. П. Перфильева, 1977; Н. Э. Зайковская, В. Е. Белоус, 1979).

По данным В. Е. Белоус (1967), Т. П. Жужжаловой (1972), развитие женского гаметофита, а затем семян у растений сахарной свеклы с ЦМС как по морфологическим, так и по гистохимическим реакциям идентично фертильным формам, хотя В. Е. Белоус отмечает незначительное изменение в процессе метаболизма у растений с ЦМС. {(. (1965) также не установил влияния стерильности пыльцы на развитие и продуктивность гинецея, на массу и сахаристость корнеплодов.