Методическое пособие для выполнения учебных занятий и самостоятельной работы по теме Семеноводство гетерозисных гибридов

Федеральное агентство по сельскому хозяйству Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет»

ПЛОДООВОЩНОЙ ИНСТИТУТ им. И.В. МИЧУРИНА

Кафедра овощеводства

Методическое пособие для выполнения учебных занятий

и самостоятельной работы по теме:

«Семеноводство гетерозисных гибридов»

Для студентов с\х высших учебных заведений по специальности 310300 - Плодоовощеводство и виноградарство

и 310600 – Селекция и генетика с\х. культур

Утверждено методической комиссией Плодоовощного института Протокол № 1 от 20 сентября 2005

Мичуринск 2005

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Методическое пособие составили: доктор с.х. наук, профессор

М.К.Литвинова, канд.с.-х. наук, доцент С.В.Пустовалова.

Рецензент:

канд.с.-х. наук, доцент кафедры плодоводства А.В.Соловьев

Рассмотрено на заседании кафедры Протокол № 6 от 22.02.2005г.

Содержание

Цель занятия…………………………………………….3

1.Вводное пояснение…………………………………...3 1.1.Понятие гетерозиса…………………………………3

1.2.Природа гетерозиса…………………………………5

1.3.Семеноводство гетерозисных гибридов………….7

2.Задание студентам…………………………………….18

3.Материалы и оборудование…………………………..19

4.Вопросы для контроля знаний……………………….19

Литература:

1.Прохоров И.А., Крючков А.В., Комиссаров Р.А. Селекция и семе- новодство овощных культур. – М. Колос. 1997, 480с.

2.Руководство по апробации овощных культур и кормовых корне- плодов. – М. Колос. 1982, 414с.

©Издательство Мичуринского государственного аграрного университета, 2005

2

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Цель занятия: ознакомиться с особенностями семеноводства гетеро- зисных гибридов овощных культур.

1.Вводное пояснение

1.1.Понятие гетерозиса

При скрещивании некоторых сортов какой-либо культуры гибриды F1 часто отличаются от родительских форм более мощным ростом, лучшей жизнеспособностью, более высокой продуктивностью, устойчивостью к бо- лезням и резким колебаниям погоды. Такое свойство гибридов первого по- коления называют гетерозисом.

Гетерозис - это свойство гибридов первого поколения превосходить родителей или лучшую из родительских форм по определенным биологиче- ским и хозяйственно ценным признакам и свойствам, по степени их вы- раженности.

Гетерозис может проявляться по одному или нескольким признакам,

часто в той или иной мере определяющим жизнеспособность растения или ускоренное его развитие. Таким образом, гетерозис может проявиться как в общем габитусе растения, так и в формировании отдельных органов — кор- ней, корнеплодов, листьев, соцветий, цветков и плодов. Иногда он проявля- ется в биохимических признаках (содержании сухих веществ, сахаров, жиров, витаминов и др.), часто — в изменении физиологических признаков (усиле- ние холодостойкости, засухоустойчивости, улучшение лежкости при хране- нии, общей устойчивости к заболеваниям и др.).

Проявление гетерозиса наблюдается в течение всего жизненного цикла растения с момента оплодотворения до окончания формирования семян.

Тот или иной тип проявления гетерозиса и степень изменчивости вы-

ражения признака при этом в основном зависят от подбора скрещиваемых сортов. Обычно гетерозис бывает тем сильнее выражен, чем больше раз- личаются скрещиваемые формы по морфологическим, биологическим, физиологическим и другим признакам. Особенно сильно проявляется ге- терозис, если скрещиваемые сорта относятся к разным группам по скоро- спелости, способу выращивания, если районированы они в разных клима- тических зонах или культивируются в разное время года, при скрещивании инбредных линий перекрестноопыляющихся растений, полученных в ре- зультате самоопыления в течение нескольких поколений.

Гетерозис – крупнейшее достижение селекции растений, биологиче- ское явление, использование которого при создании гетерозисных гибри- дов F1 позволило поднять урожайность сельскохозяйственных культур на новый уровень - повысить ее на 20-50% по сравнению с исходными сор- тами.

Явление гетерозиса (гетерозигозис, гибридная сила, гибридная мощность) открыл в 1770 г. адъюнкт-ботаник Российской академии наук

3

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Йозеф Готлит Кёльрейтер. Впервые в мировой науке им было сформули- ровано понятие гибридная сила и получены межвидовые гибриды табака.

После И. Кельрейтера явление повышенной мощности гибридов наблюдали ботаники, биологи и селекционеры.

Вопросами теории гетерозиса занимались многие выдающиеся уче- ные того времени. Начало разработки проблемы гетерозиса положил Чарльз Дарвин. В его фундаментальном труде “Действие перекрестного опыления и самоопыления в растительном мире”, опубликованном в 1876 г., он, как и Кёльрейтер, установил, что повышенная мощность роста и жизнеспособность гибридов потомства сильнее проявляются при скре- щивании родительских форм, различающихся по своим морфологиче- ским, биологическим и другим признакам и свойствам.

Классические эксперименты были проведены датским исследовате- лем В. Иогансеном (1903) с гибридами фасоли, американским исследо- вателем Т. Шеллом (1908) с межлинейными гибридами кукурузы и дру- гими исследователями на различных культурах. Для обозначения мощно- сти гетерозисных гибридов Т. Шелл предложил в 1914 г. термин гетерозис (гетерозигозис), который с тех пор прочно вошел в научную литературу.

Однако массовому производству гибридных семян и широкому вне- дрению гибридов FI в производство препятствовали большие затраты труда на кастрацию и опыление цветков вручную. Только в первой половине XX в., когда генетиками и селекционерами у разных видов культивируемых рас- тений были выявлены формы с различными типами мужской стерильности, обнаружены растения с женским типом цветения у представителей семей- ства Тыквенные и изучена генетика самонесовместимости у растений се- мейства Крестоцветные. Только тогда были начаты интенсивные работы по выведению гибридов F1 и их внедрению в производство.

На 2003г. в Государственный реестр сортов включено гибридов FI

огурца — 179 (в 1996г. – 58), томата — 191 (в 1996г. - 36), капусты белоко- чанной — 67 (в 1996г. - 13), моркови — 29 (в 1996г. – 5), лука — 18 (в 1996г.

— 1). В настоящий момент есть гибриды баклажана (10), редиса (5), свеклы

(4) и других менее распространенных культур. Всего из 1687 сортов в Гос- реестре 503 гибрида F1 овощных и бахчевых культур.

Таким образом, в середине XX в. в селекции овощных культур сформировалось и получило широкое распространение новое перспектив- ное направление — селекция гибридов F1, которое успешно осуществля- ется при соблюдении следующих требований:

-обеспечить естественную скрещиваемость родительских линий без участия человека;

-добиться гомозиготности родительских линий по генам, кон- тролирующим хозяйственные признаки;

-вывести линии, обладающие высокой комбинационной спо- собностью.

4

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1.2. Природа гетерозиса

В начале XX века в период бурного расцвета генетики углубился на- учный подход к изучению природы гетерозиса.

Однако до настоящего времени не создана единая общая теория, объ- ясняющая во всей полноте это сложное и многогранное явление. Природу гетерозиса невозможно объяснить каким-то одним типом взаимодействия,

проявление гетерозиса в разных случаях может объясняться различными причинами.

Учеными предложены несколько концепций гетерозиса в самых раз- личных вариантах.

Гипотеза доминирования изложена Джонсом в 1917 г. и носит его же имя. Она объясняет гетерозис сочетанием при скрещивании благоприятно действующих доминантных генов в гетерозиготном состоянии и подавлени- ем ими вредных рецессивных аллелей, неблагоприятных для роста и про- дуктивности. Согласно гипотезе доминирования гетерозис проявляется в результате накопления (аккумуляции) во многих локусах благоприятных доминантных аллелей и может быть объяснен суммарным (кумулятивным) или аддитивным действием благоприятных доминантных генов. Возможны и другие проявления действия доминантных генов, а именно, неаллельное взаимодействие доминантных генов, называемое эпистазом, при котором

некоторые доминантные гены могут подавлять проявление не только своих рецессивных аллелей, но и доминантных генов другой пары аллелей.

AA>aa

Степень проявления гетерозиса зависит от наличия у гибридов боль- шего количества благоприятных доминантных или полудоминантных ге- нов, чем у родителей.

Однако практически невозможно достигнуть доминантности всех благоприятных генов и получить гомозиготные формы по всем доми- нантным генам. Это является одним из аргументов против гипотезы до- минирования, которая объясняет особенности депрессии при инбридин- ге (инцухте), но не может полностью объяснить все явления и черты ге- терозиса.

Концепция сверхдоминирования, или гипотеза гетерозиготности

(Шелл, Ист, 1908), опирается на идею Ч. Дарвина о биологической по- лезности перекрестного опыления и биологической вредности само- опыления, о благоприятном влиянии разнокачественных родитель- ских гамет при скрещивании.

В основе концепции гетерозиготности лежит предположение, что гетерозиготность пары аллелей Аа превосходит по мощности обе гомози- готные пары АА и аа.

AA<Aa>aa

Два аллеля в гетерозиготном состоянии выполняют различные функ- ции, взаимно дополняющие друг друга. Возникает сверхдоминирование,

5

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

которое проявляется особенно сильно у аллелей, значительно отличаю- щихся друг от друга. Гетерозиготность оказывает стимулирующее влияние на развитие и лучшее проявление соответствующих признаков у гибрида, чем у родительских форм. Повышенная мощность и продуктивность гиб-

ридов обусловлена разнокачественностью у них разных членов одной и той же пары аллелей. Гибридная мощность возникает также благодаря той наследственной разнокачественности, которая создается в результате ге- терозиготного состояния в одинаковых локусах гомологичных хромосом. - По этой гипотезе гетерозис тем выше, чем больше локусов находится в гетерозиготном состоянии.

Концепция сверхдоминирования была разработана на основании работ по селекции межлинейных гибридов кукурузы и подтверждается фактами моногибридного гетерозиса на других культурах (томат, льви- ный зев, ячмень). Она является важной составной частью общей тео- рии гетерозиса, хотя не может убедительно объяснить все многообразие гетерозиса.

Концепция генетического (гетерозиготного) баланса (Лернер, 1954; Матер К., 1955; Турбин Н.В., 1969) объясняет сложный характер причинно-следственных связей между наследственными факторами и при- знаками. Она основана на положении об оптимуме гетерозиготной и ге- нетической устойчивости популяций.

Сущность этой концепции состоит в том, что любая популяция сорта или линия в результате естественного отбора находятся в относи- тельном генетическом равновесии. У них выработалась сбалансирован- ная генетическая система, контролирующая процесс онтогенеза и обеспе- чивающая воспроизведение фенотипа. У перекрестноопыляющихся видов естественный отбор воздействует на гетерозиготы, у самоопыляющихся видов – на гомозиготы. Генетический баланс образуется в пределах каждо- го генотипа, поэтому сам диплоидный организм и его гаметы сбалан- сированы. Степень проявления любого признака является результатом генетического баланса, а развитие признака определяется действием на- следственных факторов, которые стимулируют или подавляют проявле- ние признака. Следовательно, развитие признака в фенотипе определя- ется не только первичной активностью гена, контролирующего его, но и состоянием генетической системы в целом.

Гетерозиготное состояние организмов и вызываемый им гетерозис способствуют усилению устойчивости генетических систем в меняющихся условиях среды как на уровне популяций (генетический гомеостаз), так и на уровне развития индивидуумов (онтогенетический гомеостаз). Подобный балансовый гетерозис связан с наличием сверхдоминантных и доминант- ных локусов в блокированных участках хромосом. Установлено, что пре- имущество гетерозигот сохраняется при любых условиях, поэтому наибо- лее продуктивны гетерозисные гибрида с определенным уровнем гетерози-

6

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

готности, обеспечивающим их повышенную гомеостатичность.

Гипотеза генетического баланса учитывает различные типы взаимо- действия наследственных факторов, а также роль условий среды в разви- тии признаков у гибридов. Однако она не раскрывает вопрос, каков удельный вес различных типов взаимодействия наследственных фак- торов, лежащих в основе гетерозиса и являющихся слагаемыми генетиче- ского баланса гибридов.

1.3.Семеноводство гетерозисных гибридов

Технология получения гибридных семян такая же, как при произ- водстве сортовых семян.

Томат. В гетерозисной селекции томата использует межсорто- вые и простые межлинейные гибриды. Так как томат является самоопы- лителем, то важнейшим условием получения гибридных семян является предотвращение самоопыления у материнских растений. Наиболее рас- пространенным методом получения гибридов томата является искусст-

венное опыление предварительно кастрированных фертильных цветков или использование линий, сортов, обладающих физиологической само- несовместимостью или функциональной мужской стерильностью.

Простые межсортовые гибриды получают с проведением кастрации цветков, опыленных вручную на следующий день. Двойные межсорто- вые гибриды получают скрещиванием двух простых гибридов.

При использовании в качестве материнских форм растений с муж- ской стерильностью разного типа (функциональная мужская стериль- ность - ФМС, пыльцевая генетическая стерильность - ПГС, бестычинко- вость, лонгостилия) опыление проводят без кастрации, получая от 80 до 100% гибридных семян.

При создании гибридов, полученных на стерильной основе, ис- пользуют стерильные линии, обладающие рецессивными сигнальными признаками - штамбовость куста, лист картофельного типа, крапчатая окраска листа и др., что позволяет еще в фазу рассады выбраковать негибридные растения и высадить в поле 100% гибридов.

Семеноводство гетерозисных гибридов томата ведут при опыле-

нии предварительно кастрированных цветков вручную. Использование в качестве материнского компонента форм, обладающие функциональной мужской стерильностью (ФМС) различного типа, длинностолбчатых, бестычинковых, а также о генетической стерильностью пыльцы, позво- ляет избежать кастраций цветков.

Растения выращивают на фоне высокого плодородия, учитывая, что завязывание плодов на ослабленных растениях бывает пони- женным. Если материнская форма фертильная, то кастрацию цветков, на- чиная о первой кисти, проводят пинцетом, выщипывая тычинки из пожел- тевшего бутона, либо удаляя весь венчик с тычинками. Кастрацию выпол-

7

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

няют весь день, кроме наиболее жарких двух-трех часов. Цветки материн- ских растений можно опылить сразу, либо на следующий день после ка- страции. Пыльцу с отцовских растений собирают вибратором на второй- третий день после цветения, когда в одном цветке накапливается 1,5 мг пыльцы. Её собирают в отдельные часы, когда относительная влажность воздуха наименьшая и пыльца хорошо высыпается из цветка. Собранную

пыльцу хранят в холодильнике в течение суток или в сухом помещении при температуре +20...+25°С не более одного - двух дней после сбора.

Пыльцу наносят на рыльце пестика при помощи мягкой резинки, укрепленной на препаровальной игле или на конце проволоки. Можно совмещать кастрацию и опыление, что значительно повышает производительность труда. К пинцету, используемому при кастрации, прикрепляют резиновую крышечку, в углубление которой насыпают пыль- цу. И после кастрации бутона рыльце пестика помещают в нее, чтобы пыльца не высыпалась из резиновой крышечки при кастрации, ее прикры- вают пальцем руки.

В открытом грунте при получении гибридных семян материнские растения выращивают в один стебель и привязывают к кольям. Семена отцовской формы высевают на 10-12 дней раньше материнской, чтобы

к моменту кастрации цветков на материнских растениях отцовские уже цвели и давали пыльцу. Схема посадки растений (90+50)х35-40 см. Рас- тения не пасынкуют, побеги не прищипывают, что обеспечивает более сильное развитие куста и обильное цветение.

Рыльце распустившегося цветка способно воспринимать пыльцу в течение пяти-семи дней. Опыление проводят в сухую погоду, производи- тельность труда - 600 цветков за 8 час. Плоды завязываются у 60-80% опыленных цветков. Выход гибридных семян у многосемянных сортов 0,4-0,5%, у мясистых малосемянных 0,2-0,3% массы плодов. Сорто- вые прочистки родительских форм осуществляют по методике сор- тового семеноводства томата в открытом грунте. Систематически удаляют слаборазвитые, больные растения, с нетипичными плодами.

Последнюю сортовую прочистку и апробацию проводят перед сбором плодов.

В защищенном грунте гибридные семена выращивают в зимнее - ве- сеннем и весеннее - летнем оборотах. Соотношение отцовской и мате- ринской форм 1:3, 1:4 в зависимости от пыльцевой продуктивности от- цовской формы. Схема посадки растений (90+60) х 50 см. Отцовскую форму размещают в одной теплицы, материнскую - в другой части. В семеноводстве необязательно чередование рядов гибридов огурца.

Отцовскую форму можно высаживать даже в других теплицах и вести формирование растений в два стебля. Выход пыльцы при этом воз- растает на 30-40%. Не снижая урожайности гибридных семян на материн- ских растениях, можно сократить площадь под отцовскими растения-

8

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ми на 20%. Перед посадкой рассады в теплицу осуществляют первую сортовую прочистку родительских форм, удаляя примеси, нетипичные, ослабленные и больные растения. В период цветения первого-второго

соцветия у отцовских форм и начала кастрации материнских растений выполняют вторую прочистку, повторяя ее по мере роста томата и появ- ления новых апробационных признаков. Апробацию родительских форм проводят при созревании плодов на первой-второй кистях.

Все цветки в соцветии кастрируют и опыляют, поэтому необхо- димость их маркирования отпадает. Когда завяжется шесть-восемь пло- дов, соцветия прищипывают. Важная операция - доопыление цветков через один - два дня после первого опыления, что увеличивает коли- чество гибридных семян в плоде. Выход гибридных семян из одного плода томата в среднем 80-90 шт. Семена выделяют вручную, разрезая плод поперек на две части. Сбраживают семена в течение одного - двух дней, отмывают и сушат. Урожай гибридных семян от 15-20 до 25-30 г/м2 в зависимости от сортовых особенностей материнской формы и качества опыления.

Перец. У сладкого и острого перца используют простые межсорто- вые гибриды на фертильной основе и линейно-сортовые гибриды на сте- рильной основе. Межсортовые гибриды получают при легитимном скре- щивании растений, имеющих гетеростильные цветки: пыльца с коротко- столбчатых цветков наносится Ш длинностолбчатые или наоборот. Ли-

нейносортовые гибриды получают с использованием материнской линии цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) при высадке рассады че- редующимися рядами в соотношении 2:1 (два ряда стерильной линии и один ряд сорта-опылителя). Опыление осуществляется насекомыми. В селекции

на гетерозис острого перца используются бестычинковые стерильные формы в качестве материнского компонента, что позволяет получать гибриды без кастрации цветков и без использования ручного труда при проведении опы- ления.

При получении гибридов перца используется признак ядерной сте- рильности, применяют индуцирование мужской стерильности с помощью оп- рыскивания растений различными химическими веществами (регуляторы роста, гаметоциды - ГМК, ПУК и 2,4Д), а также путем воздействия лучами рентгена. При ядерной стерильности у материнских форм удаляют фертиль- ные растения.

Гибриды перца получают также с использованием сигнального при- знака в сочетании с мужской стерильностью материнской линии. При наличии такого признака негибридные растения удаляют в фазу проростков, перед по-

садкой на постоянное место и при контроле чистоты гибридных семян при появлении всходов. При получении гибридов с участием обоих фертильных

родителей цветки материнских сортов кастрируют и проводят опыление сразу после кастрации или в ближайшие сутки.

9

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Баклажан. У баклажана используются межсортовые гибриды. В от- личие от перца пока не разработан способ получения самостерильных ли- ний баклажана, при наличии которых можно получить гибриды без затрат ручного труда.

Межсортовые гибриды получают путем ручного опыления с предва- рительной кастрацией цветков за сутки до раскрытия бутонов. Кастрируют только длинностолбчатые цветки, а короткостолбчатые удаляют.

При использовании в качестве материнских растений сортов с хоро- шо выраженной лонгостилией опыление проводят без предварительной ка- страции цветков. В этом случае получают 6,0-7,5% самоопыленных расте- ний, которые выбраковывают в процессе выращивания рассады.

При получении гибридов баклажана используют сорта с генетиче- ским маркером. У материнских растений сигнальные признаком служит отсутствие антоциановой окраски, у отцовских растений - зеленая окраска без фиолетовой пигментации на листьях и побегах.

Лук репчатый. Созданы межсортовые гибриды лука, полученные

путем естественного переопыления двух совместно высаженных обычных сортов, и линейносортовые гибриды, полученные с использованием материн- ских форм, обладающих цитоплазматической мужской стерильностью

(ЦМС).

В результате переопыления между сортами завязывается до 50% гибридных семян и столько же сортовых семян. Мужская стерильность по- зволяет производить 100%-ные гибриды.

Среди сортимента репчатого лука имеется лишь один гетерозисный гибрид на стерильной основе Ft Антей, созданный Приднестровским НИ- ИСХ.

Для получения линейносортовых гибридов на стерильной основе высаживают рядами стерильные растения материнской формы и фер- тильные растения сорта-опылители в соотношении 3:1 с изоляцией от- дельных растений и их групп от переопыления. Используют перга- ментные марлевые изоляторы для соцветий, индивидуальные марлевые изоляторы для растений, в которых проводят опыление вручную, и групповые изоляторы - кабины или домики под двойным слоем марли или оетки, препятствующие проникновению насекомых. Опыление в них проводят с помощью пчел или специально разводимых мух.

Получение гибридных семей в большом количестве ведут на специ- альных участках с соблюдением пространственной изоляции.

Морковь. В селекции моркови на гетерозис получают простые гибриды и путем многократных скрещиваний сложные гибриды или синтетические сорта, а также гибридные популяции, применяя метод свободного переопыления сортов.

Практическое применение пока нашли межсортовые гибриды моркови. На базе ЦМС получают простые межлинейные, тройные и ли-

10

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com