Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Важным фактором, определяющим адаптацию растений (в том числе, мягкой пшеницы) к условиям окружающей среды, является продолжительность фаз развития, особенно сроки наступления колошения [19, 23]. Фенологические фазы развития, определяющие жизненный цикл пшеницы, предполагают определение всходов, третьего листа, кущения, первого узла, выхода в трубку, флагового листа, колошения и спелости. При этом установлено, что в своем развитии пшеница до фазы «выход в трубку» находится в вегетативном периоде развития, от начала колошения до конца цветения – в генеративном, и от первой стадии созревания до полной спелости – в репродуктивном периоде [3]. Различные фазы определяют формирование определенных количественных показателей продуктивности [16]. Так, более продолжительный период «всходы–кущение» приводит к увеличению вегетативной массы растений (по Ф.М. Куперман [3] – I–II этапы органогенеза) [20]. Продолжительность фазы «выход в трубку» (IV–VII этапы органогенеза) весьма важна, поскольку в этот период происходит формирование фертильных цветков, определяющих будущее число зерен в колосе [7, 18]. Во время периода «колошение–созревание» (IX–XII этапы органогенеза) происходят налив и увеличение массы зерна [17]. Показано, что время наступления и длительность различных фаз развития контролируются генетически [2].

Гены чувствительности к яровизации (Vrn) и фотопериоду (Ppd) и гены раннеспелости (Eps) влияют на продолжительность жизненного цикла мягкой пшеницы. При этом гены Vrn определяют до 75 % различий по длине вегетационного периода [9]. У мягкой пшеницы известно пять главных генов Vrn [11] – Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, Vrn-D4, Vrn-B3, доминантный аллель хотя бы в одном из которых определяет яровой тип развития, а рецессивные по всем этим генам – озимый тип развития [12]. За счет множественных аллелей доминантных локусов Vrn-1 возможно увеличение разнообразия мягкой пшеницы по длине вегетационного периода [5, 15, 22]. У двух генов – Vrn-A1 и Vrn-B1 обнаружено наличие множественных аллелей, которые влияют на различия во времени колошения [4, 6]. При проведении данных исследований эти аллели находились в разной генотипической среде, после чего был проведен анализ времени колошения и реакции на яровизацию различных сортов и линий.

Большую роль в изучении генов Vrn сыграли изогенные линии по доминантным генам Vrn, созданные на основе сорта Triple Dirk [11, 12]. Сам сорт Triple Dirk имеет два доминантных гена – Vrn-A1 и Vrn-B1. Изогенная линия Triple Dirk D имеет доминантный ген Vrn-A1, линия Triple Dirk B – ген Vrn-B1, линия Triple Dirk E – ген Vrn-D1, линия Triple Dirk F – ген Vrn-D4. Донорами генов Vrn-A1 и Vrn-B1 послужил сорт Triple Dirk, донором гена Vrn-D1 – сорт Loro, а донором гена Vrn-D4 – сорт Gabo. У изогенной линии Triple Dirk C все четыре гена Vrn – рецессивные. Донором рецессивных аллелей vrn послужил озимый сорт Winter Minflor [14, 21].

По фенотипическому проявлению доминантные гены Vrn в изогенных линиях сорта Triple Dirk располагаются в следующем порядке: Vrn-A1 > Vrn-D1 > Vrn-D4 ≥ Vrn-B1: изогенная линия Triple Dirk D с геном Vrn-A1 является самой раннеспелой, а линия Triple Dirk B с геном Vrn-B1 – самой позднеспелой; линия с геном Vrn-D4 не отличается достоверно по времени колошения от линии с геном Vrn-B1 [10].

Для изучения множественного аллелизма доминантного гена Vrn-B1 были созданы замещённые лини сорта Sava по хромосоме 5В и изогенные линии сорта Безостая 1 [14] (рис. 1). Донорами хромосом 5В с доминантными аллелями Vrn-B1c и Vrn-B1a и самих аллелей Vrn-B1c и Vrn-B1a для этих линий послужили замещённые линии С29/М808 5А и ДмII/М808 5А, полученные Майстренко (1992). При создании замещённых линий сорта Sava по хромосоме 5В моносомная линия сорта Sava по хромосоме 5В, предоставленная Э. Ворладном, была скрещена с замещёнными линиями С29(М808 5А) и Дм2 (М808 5А). Цитологически выделенные моносомные растения с хромосомой 5В от линий С29 (М808 5А) или Дм II (М808 5А) самоопыляли. С цитологически выделенными дисомными растениями проводили семь поколений беккроссов моносомной линией сорта Sava по хромосоме 5В для восстановления генотипа озимого сорта Sava, с цитологическим выделением после каждого беккросса моносомных и дисомных растений. В результате замещённые линии в генетическом фоне озимого сорта Sava, рецессивного по генам Vrn-1, содержали хромосомы 5В от яровых сортов Саратовская 29 и Диамант 2 с доминантными аллелями Vrn-B1c и Vrn-B1a [14]. При создании изогенных линий сорта Безостая 1 озимый сорт Безостая 1 скрещивали с линиями С29 (М808 5А) и Дм2 (М808 5А) и полученные растения беккроссировали 8 раз озимым сортом Безостая 1 для восстановления генотипа этого озимого сорта. В первом и третьем поколениях беккросса при помощи SSR-маркёров были отобраны растения, имевшие наименьшую вставку донорской хромосомы 5В, содержащей аллели гена Vrn-B1, которые использовали в следующих беккроссах. Полученные в результате изогенные линии в генетическом фоне озимого сорта Безостая 1, рецессивного по генам Vrn-1, имели аллели Vrn-B1c и Vrn-B1a от яровых сортов Саратовская 29 и Диамант 2 [14].

Изогенные линии сорта Безостая 1 с доминантными генами Vrn-A1 и Vrn-D4 были получены по аналогичной схеме (Ефремова Т. Т., неопубл.). Донором доминантного гена Vrn-A1 для изогенной линии i:Без1Vrn-A1 послужила изогенная линия Triple Dirk D [12], а донором доминантного гена Vrn-D4 для изогенной линии i:Б1Vrn-D4 – образец T. sphaerococcum Persiv. к-5498 из коллекции ВИР.

На время колошения, а также на связанные с ним компоненты урожайности гены Vrn влияют не только по отдельности, но и в комбинации друг с другом [19]. Так, сорта с двумя доминантными генами Vrn выколашиваются раньше сортов с одним геном Vrn, а сорта с тремя доминантными генами Vrn являются самыми раннеспелыми. Однако сорта с тремя доминантными генами Vrn имеют наименьшую продуктивность, так как у них снижены показатели компонентов урожайности и масса 1000 зёрен. Самыми высокоурожайными являются сорта с одним геном Vrn-A1 или двумя генами Vrn-A1 и Vrn-B1: они имеют хорошие показатели продуктивности, а раннеспелость позволяет им в полной мере пройти налив зерна. Сорта с доминантным геном Vrn-B1 или комбинацией Vrn-B1 Vrn-D1 имеют высокие показатели признаков продуктивности, но позднеспелость не позволяет им в достаточной степени пройти налив зерна, поэтому по продуктивности они уступают сортам с геном Vrn-A1 и двумя генами Vrn-A1 и Vrn-B1. Носители доминантного гена Vrn-D1, одного, или в комбинации с генами Vrn-A1 или Vrn-B1, по продуктивности не превосходят перечисленные сорта, но имеют преимущество при выращивании растений в регионах со стрессовыми условиями в период налива зерна, такими, как засуха и высокая температура [13].

Рис. 1. Схемы получения замещённых линий озимого сорта Sava по хромосоме 5В и изогенных линий озимого сорта Безостая 1 с аллелями Vrn-B1c и Vrn-B1a [14]

Для выяснения влияния разных аллелей на скороспелость и агрономические признаки необходимо было создать изогенные линии по двум аллелям гена Vrn-В1. Ими оказались две замещенные линии на основе озимого сорта Sava хромосоме 5В и две изогенные линии на основе озимого сорта Безостая 1 (Б1), обе несут аллели Vrn-B1c и Vrn-B1a от сортов Саратовская 29 (С29) и Диамант II (ДмII) [14]. Исследование выявило, что замещенные и изогенные линии с аллелем Vrn-B1c выколашиваются раньше, чем линии с аллелем Vrn-B1a. В то же время, на яровизацию сильнее реагируют линии с аллелем Vrn-B1a, чем с аллелем Vrn-B1c. Кроме того оказалось, что замещенные и изогенные линии с аллелем Vrn-B1с характеризуются достоверно меньшей продолжительностью периодов «кущение – первый узел» и «выход в трубку – колошение» и, следовательно, выколашиваются раньше [21]. Однако эти результаты были получены при выращивании в условиях теплицы, а в полевых условиях такие исследования не проводились. Поэтому остался ряд вопросов, связанных с поведением вышеописанных сортов и линий пшеницы в естественных условиях. Данные обстоятельства определили актуальность настоящего исследования.

Целью работы являлось изучение продолжительности фаз развития у замещённых и изогенных линий мягкой пшеницы с разными аллелями гена VRN-B1 при естественном длинном дне в условиях лесостепной зоны Приобья Новосибирской области.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования послужили замещённые линии озимого сорта Sava по хромосоме 5В и изогенные линии озимого сорта Безостая 1 [14], а также другие линии и сорта из коллекции лаборатории хромосомной инженерии злаков ИЦиГ СО РАН (таблица 1).

У растений отмечались следующие фазы развития: всходы, появление, 3–го листа, кущение, появление первого узла, выход в трубку, колошение, созревание. Даты наступления фаз развития отмечались у каждого растения индивидуально и высчитывалось среднее значение. Каждой линии или сорта выращивалось от 10 до 40 растений.

Методика проведения эксперимента

Опыт проводился в течение полугода. Предшественником служил пар. Перед посевом было произведено внесение удобрения (Азофоска – N60P60K60) и боронование, а также разбивка и маркировка поля на яруса.

Схема посева: 50 см х 70 см (50 – ширина яруса, 70 – ширина дорожки). Расстояние между рядками – 25 см. Норма высева на погонный метр – 20–25 семян. Глубина заделки семян составляла 3–4 см. Дата посева – 13 мая. После посева было произведено уплотнение почвы и нарушение верхнего слоя с целью уменьшения испарения влаги из почвы. Защитное мероприятие по борьбе со шведской мухой – покрытие агрилом (нетканый укрывной материал).

Таблица 1

Материал исследования

Во время наступления фазы всходов, кущения, выход в трубку была произведена обработка растений препаратом «Актеллик» (10 мл на 10 л воды) от комплекса насекомых: шведская муха, крестоцветная блошка. Время от времени на поле производилось рыхление, с целью проникания воздуха в почву и прополка междурядий, дорожек и периметра поля, с целью уборки сорняков. После наступления фазы флаговый лист у всех растений на поле было произведено крепление этикеток с порядковым номером на каждое первое растение в рядке, для облегчения дальнейшей работы.

Начало даты уборки – 19 августа. Разметка поля, посев, уход за растениями в течение вегетации и уборка производились вручную. Обмолот экспериментального материала производился с помощью электрической колосковой молотилки МКС-1М.

Даты наступления и продолжительности каждой фазы развития для каждой отдельной линии заносились в журнал наблюдений, а затем подверглись статистическому анализу.

Условия проведения эксперимента

Институт цитологии и генетики СО РАН расположен в лесостепной зоне, вблизи города Новосибирска, на берегу Обского водохранилища. Особенности климата Новосибирской области связаны с её положением в центре материка и характером рельефа этого региона. Ярко выраженный континентальный климат – это суровая продолжительная зима и короткое, жаркое, часто засушливое лето. Главное в климате – это высокий приход лучистой энергии и нехватка тепла. Продолжительность теплового периода с температурами выше 0°С составляет 185 – 195 дней. Осадков выпадает 300–350 мм в год. Наибольшее количество осадков обычно выпадает в июле – 60–80 мм. На зимний период приходится 17–20 % годовой суммы осадков. Периодические засухи в весенне-летний период отрицательно сказываются на жизнедеятельности растений.

Почвы серые лесные, развивающиеся на породах, контактирующих с отложениями древней террасы реки Оби. По механическому составу почвы среднесуглинистые, с большим количеством фракции крупной пыли, бесструктурные, со слабой воздухо- и водопроницаемостью, быстрой осадкой и уплотнением после обработки, склонные к заплыванию и образованию корки. Реакция слабокислая. Агрохимический анализ показал, что почва содержит относительно небольшое количество гумуса (3,85 %). Близость леса защищает от ветровой эрозии и выветривания снежного покрова.

Температура в год исследования практически не отличалась от среднемноголетней нормы. В 2016 г. количество осадков за вегетационный период выпало ниже среднемноголетнего, самым засушливым месяцем был август. В июле осадков выпало чуть больше нормы. Осадков за вегетационный период выпало 167 мм (на 53 мм меньше нормы).

Таблица 2

Температура воздуха и осадки за вегетационный период 2016 года по ГМС «Огурцово»

Рис. 2. Температура за вегетационный период

Рис. 3. Осадки за вегетационный период

Статистическая обработка данных выполнена с использованием программы Excel, версия: 14.0.7128.5000 (32–разрядная). Определялся характер распределения количественных признаков методом Колмогорова-Смирнова. В случае нормального распределения вычислялось среднее значение и стандартная ошибка среднего. Достоверность различия показателей оценивали по критериям Стьюдента, Пирсона (при нормальном распределении), в случаях отклонения распределения от нормального использовались непараметрические критерии (U-критерий Манна-Уитни, Колмогорова-Смирнова). Во всех процедурах статистического анализа критический уровень значимости нулевой гипотезы (p) принимался равным 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

Продолжительность фаз развития у сортов мягкой пшеницы, изогенных и замещенных линий с разными аллелями локуса Vrn в условиях лесостепной зоны Новосибирской обл. (посев 13 мая 2016 г.) представлен в таблице 3.

Анализ данных, представленных в таблице 3, выявил, что наиболее скороспелыми были сорта и линии с доминантным геном Vrn-A1, которые выколашивались в интервале 38–41 дней: Саратовская29, Диамант II, Gabo, Мильтурум553. Полученные результаты согласуются с данными по выращиванию изогенной линии Vrn-A1 в условиях длинного дня, где данная линия оказалась самой раннеспелой, она выколосилась на 41 день, на 11 дней раньше, чем изогенная линия с аллелем Vrn-B1с (Р>0,999) [21]. Оказалось, что сорта и линии с одним доминантным геном Vrn-B1 более позднеспелые и выколашиваются в интервале 44–52 дней: C29/5A М808, ДмII/5АМ808, Омская 9, Federation, Mara, Sava/5B C29, Sava/5B ДмII, T. sphaeroccocum, Мильтурум 321, Цезиум 94. Более длительные сроки колошения изогенных линий с аллелем Vrn-B1а были установлены при выращивании в условиях теплицы (на 69-й день от всходов, Р>0,999 [21].

Вместе с тем, выявилось, что замещенные и изогенные линии с аллелем Vrn-B1c выколашиваются раньше, чем линии с аллелем Vrn-B1a на 2–3 дня. В то же время, в условиях длинного дня, по данным Емцевой М.В. и соавт., различие во времени колошения между изогенными линиями соответствовало 17 дням [21].

Длительность периода «всходы – кущение» у изогенных и замещённых линий практически не различалась. Анализ продолжительности фаз развития установил, что основные различия по прохождению фаз развития у линий с разными аллелями локуса Vrn начинаются с фазы «кущение-выход в трубку». Период «кущение-выход в трубку» является критическим и определяет продолжительность всего вегетационного периода от всходов до колошения и созревания растений [21].

Таблица 3

Продолжительность фаз развития замещённых и изогенных линий мягкой пшеницы с разными аллелями локусов VRN1

Рис. 4. Длительность фаз развития у изогенных, замещённых линий и сортов мягкой пшеницы при выращивании в условиях естественного дня (май – август 2016 г.)

Установлено, что замещённые, изогенные линии и сорта с аллелем Vrn-A1 имеют меньшую длину фазы «кущение» по сравнению с линиями – носителями аллелей Vrn-B1c и Vrn-B1a, и поэтому выколашиваются раньше. Кроме эффекта аллелей Vrn-B1c и Vrn-B1a наблюдается также влияние генетического фона сортов Sava и Безостая 1. Разница в начале фаз развития от кущения до колошения между линиями с аллелями Vrn-B1c и Vrn-B1a в генотипе сорта Sava является большей, чем в генотипе сорта Безостая 1. Замещенные линии сорта Sava были более позднеспелыми, чем изогенные линии по сорту Безостая 1. Исследование Емцевой М.В. и соавт. показало, что при отсутствии яровизации и при длинном дне замещенные и изогенные линии с аллелем Vrn-B1c имеют меньшую длину фазы «кущение» по сравнению с линиями – носителями аллеля Vrn-B1а и поэтому выколашиваются раньше [21].

Известно, что при длинном дне и неблагоприятных условиях (засуха, высокие температуры и др.) фазы развития и вегетационный период проходят быстрее, при этом закладывается меньше элементов продуктивности, а при благоприятных условиях и коротком дне развитие задерживается на III этапе органогенеза, при этом закладывается больше элементов продуктивности [1, 10].

Анализ продуктивности замещённых и изогенных линий с разными аллелями локуса Vrn в условиях лесостепной зоны Новосибирской обл. (посев 13 мая 2016 г.) (таблица 4) показал, что наиболее продуктивными по количеству зёрен, массе зерна со всего растения оказались линии i:Б1 Vrn-Bla и i:Б1 Vrn-Ala (p<0,001–0,05). Эти же линии преобладали по массе зерна, числу зерен с остальных колосьев. Линия i:Б1 Vrn-Bla лидировала и по массе зерна с колоса, однако, второй по данному параметру оказалась линия I:Б1 Vrn-Blc, заметно превосходя i:Б1 Vrn-Ala. Число зерен в колосе оказалось достоверно больше в линиях Sava (С29 5В), i:Б1 Vrn-Bl, по количеству колосков в колосе на первых позициях были линии Sava (С29 5В) и Sava (ДмII 5В). Установлено, что наибольшей длина растения с колосом была у линий I:Б1 Vrn-Bla и I:Б1 Vrn-Blc, а длина колоса оказалась максимальной в линиях Sava (С29 5В) и Sava (ДмII 5В).

Суммируя все параметры, можно сделать вывод, что наиболее продуктивными оказались линии i:Б1 Vrn-Bla и i:Б1 Vrn-Ala по сравнению с другими, принявшими участие в эксперименте.

Таблица 4

Продуктивность замещённых и изогенных линий с разными аллелями локуса Vrn в условиях лесостепной зоны Новосибирской области (посев 13 мая 2016 г.).

Примечания:

* – достоверность отличия от I:Б1 Vrn-Bla, где: * – p<0,05;** – p<0,01;*** – p<0,001;

^ – достоверность отличия от I:Б1 Vrn-Blc, где: ^ – p<0,05; ^^ – p<0,01;^^^ – p<0,001;

$ – достоверность отличия от I:Б1 Vrn-Ala, где: $ – p<0,05; $$ – p<0,01; $$$- p<0,001;

# – достоверность отличия от i:Б1 Vrn-D4, где: # – p<0,05; ## – p<0,01; ### – p<0,001;

@ – достоверность отличия от Saval5B Cap29, где: @ – p<0,05;@@ – p<0,01; @@@ – p<0,001;

т – тенденция к наличию различий.

Заключение

В полевых условиях разница во времени колошения замещённых и изогенных линий с аллелями Vrn-B1a и Vrn-B1с составила 2–3 дня. При этом замещенные и изогенные линии с аллелем Vrn-B1c выколашиваются раньше, чем линии с аллелем Vrn-B1a. В целом замещенные линии сорта Sava были более позднеспелыми, чем изогенные линии по сорту Безостая 1. Наиболее скороспелыми были сорта и линии с доминантным геном Vrn-A1, которые выколашивались в интервале 38–41 дней. Замещённые, изогенные линии и сорта с аллелем Vrn-A1 имеют меньшую длину фазы «кущение» по сравнению с линиями – носителями аллелей Vrn-B1c и Vrn-B1a.

В полевых условиях по числу и массе зёрен со всего растения самыми продуктивными оказались изогенные линии i:Б1 Vrn-B1a и i:Б1 Vrn-A1a. Эти же линии преобладали по массе зерна, числу зерен с остальных колосьев; линия i:Б1 Vrn-Bla лидировала и по массе зерна с колоса. Остальные линии и сорта оказались достоверно ниже по продуктивности.

Таким образов, в ходе проведения эксперимента было проанализировано поведение замещённых и изогенных линий мягкой пшеницы с разными аллелями гена VRN-B1 в естественных условиях в условиях лесостепной зоны Приобья Новосибирской области, установлены самые продуктивные изогенные линии i:Б1 Vrn-B1a и i:Б1 Vrn-A1a.