Лекция 6 Внутривидовая гибридизация

План

 

1Генетические последствия скрещивания

2Применение различных типов скрещивания

3Методика и техника скрещивания

4Необходимый масштаб скрещивания. Число комбинаций в F₁, величина популяции F₂

1. Аутогамные (самоопыляющиеся) растения гомозиготны. При их скрещивании поколение F1 - гетерозиготно и генетически однородно. У гибридов F1 проявляются доминантные признаки одного из роди­телей либо при неполном доминировании наследование носит про­межуточный характер. В поколении F2 происходит расщепление, ин­тенсивность которого зависит от степени различия родительских форм (рис. 4.1). В следующих поколениях в результате повторного самоопыления повышается доля гомозигот, которые далее не рас­щепляются (процесс гомозиготизации). Наоборот, доля гетерозигот постепенно снижается. В результате в поздних поколениях популяция состоит почти полностью из гомозигот. Долю гомозиготных форм в том или ином поколении вычисляют по формуле

где Х - доля гомозиготных растений;

s - порядковый номер расщепляющегося поколения (F₂ - первое расщепляющееся поколение);

n - число пар генов в гетерозиготном состоянии.

Рис. 4.1. Расщепление межсортового гибрида мягкой пшеницы: 1 - материнский сорт; 2 - отцовский сорт; 3-7 - гибриды второго поколения

 

Проведённые расчёты показывают, что соотношение гомозигот­ных и гетерозиготных растений в определённом гибридном поколе­нии в большой степени зависит от числа пар генов, по которым гете­розиготно поколение F1 (рис. 4.2).

 

Поэтому в потомстве моногибрида отбор можно провести уже в F₂, а в случае с гетерозиготами по многим локусам - в более поздних

поколениях. Для одного локуса возможны два гомозиготных геноти­па, для двух - четыре, а для n локусов - 2n. Частота различных гомо­зиготных генотипов в случае сцепления генов неодинакова. Геноти­пы, включающие сцепленные гены, встречаются чаще.

Таким образом, у самоопыляющихся растений вероятность выде­ления гомозиготных форм из гибридной популяции в более поздних поколениях непрерывно растёт.

Скрещивание перекрёстноопыляющихся растений отличается тем, что родительские сорта являются популяциями, состоящими из преимущественно гетерозиготных генотипов. Расщепляющимся в этом случае оказывается уже поколение F1, особенно в отношении полигенноопределяемых или количественных признаков. В дальнейшем вследствие перекрёстного опыления доля гомозигот и гетерозигот не меняется, и популяция находится в сбалансированном состоянии.

Поэтому в потомстве моногибрида отбор можно провести уже в F₂, а в случае с гетерозиготами по многим локусам - в более поздних поколениях.

2. Для одного локуса возможны два гомозиготных геноти­па, для двух - четыре, а для n локусов - 2n. Частота различных гомо­зиготных генотипов в случае сцепления генов неодинакова. Геноти­пы, включающие сцепленные гены, встречаются чаще.

Таким образом, у самоопыляющихся растений вероятность выде­ления гомозиготных форм из гибридной популяции в более поздних поколениях непрерывно растёт.

Скрещивание перекрёстноопыляющихся растений отличается тем, что родительские сорта являются популяциями, состоящими из преимущественно гетерозиготных генотипов. Расщепляющимся в этом случае оказывается уже поколение F1, особенно в отношении по- лигенноопределяемых или количественных признаков. В дальнейшем вследствие перекрёстного опыления доля гомозигот и гетерозигот не меняется, и популяция находится в сбалансированном состоянии.

Типы скрещиваний, применяемые в селекции, подразделяются на две группы: однократные и многократные (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема классификации типов скрещивания

При однократных скрещиваниях отбор проводят непосредственно в гибридных потомствах. К ним относят: простые парные, реци- прокные, поликроссы (множественные скрещивания), топкроссы и диаллельные скрещивания.

Многократные скрещивания подразумевают повторное скрещи­вание гибридов F₁ с одним из родительских компонентов, с третьим сортом или другими гибридами, т.е. осуществляют систему скрещи-

ваний. К такому типу скрещиваний относят: возвратные (беккроссы), конвергентные, тройные, ступенчатые и межгибридные скрещивания.

При использовании простых парных скрещиваний (А х В, В х С, С х Д и т. д.) работа с гибридным материалом сводится к отбо­ру в расщепляющихся поколениях элитных растений и оценке их потомств. Такой тип скрещивания имеет большее значение при меж­сортовой гибридизации, чем при межвидовой. Парные скрещивания применяют в основном для усиления отдельных свойств у сортов, ко­торые в большинстве соответствуют планируемому генотипу в дан­ных условиях. Например, при использовании простых парных скре­щиваний созданы такие сорта яровой мягкой пшеницы, как Ирты- шанка 10 (Скала х Саратовская 36), Сибаковская 3 (Безостая 1 х Са­ратовская 29), Нива 2 (PS 360/76 (Румыния) х Иртышанка 10), Соната (Целинная 20 х Терция), Эритроспермум 59 (Чайка х Иртышанка 10); сорта ярового ячменя - Омский 89 (Омский 85 х Циклон), Омский 90 (Омский 80 х Донецкий); овса - Орион (Омский кормовой 1 х Ристо), Памяти Богачкова (Фаленский 3 х Мутика 559); гороха - Омский не- осыпающийся (Омский 7 х Неосыпающийся 1), Омский 9 (Усач х Тим); картофеля - Лазарь (Ласунок х Зарево), Алая заря (Адретта х Зарево (гибридный номер 365-87)) и др.

При реципрокных скрещиваниях каждый из двух родительских компонентов используется в одном случае в качестве материнской формы, а во втором - отцовской. Если родительские сорта различаются по цитоплазме, то результат прямого и обратного скрещивания неоди­наков. Реципрокные скрещивания используют при отдалённой гибри­дизации, когда в прямых и обратных комбинациях результаты могут быть разными как по завязыванию семян, так и качеству гибрида.

При множественных скрещиваниях (поликроссах) опыление материнских растений осуществляется смесью пыльцы нескольких отцовских форм (А х (В + С + Д + Е +...)). На множественных скре­щиваниях основан метод селекции с использованием поликросс- теста, применяемый при работе с аллогамными культурами (люцерна, рожь и др.), у которых трудно осуществлять контролируемые скре­щивания. При этом получают информацию о комбинационной спо­собности исходного материала. Метод поликросса заключается в том, что все линии высевают в случайном порядке. При этом преобладает свободное переопыление и поэтому существует объективная вероят­ность того, что каждая линия скрестится с такой же другой линией. Если принять во внимание, что отцовский родитель не известен, раз­личия, возникающие между линиями по урожайности или по другим признакам, относят за счёт только данных линий и на основе этого

делают заключение об общей и специфической комбинационной способности испытанных линий. Путем поликроссов создан, например, сорт клевера лугового СибНИИК 10 (1993). При этом в скрещивания были вовлечены сорта: Дуванский местный, Уфимский местный, Стендский поздний и Печерский улучшенный.

Топкроссы (циклические скрещивания) применяют для определения общей и специфической комбинационной способности при селекции на гетерозис. Для этого линии и сорта скрещивают с одним или несколькими сортами - анализаторами (тестерами). При этом в селекции самоопыляющихся растений большое значение имеет определение эффектов общей комбинационной способности, по величине которых можно судить о донорских свойствах скрещиваемых форм.

По мнению Фальконера, различия по общей комбинационной способности родительских форм могут быть отнесены за счёт аддитивного компонента генетической вариансы и взаимодействия A x A, в то время как причиной различий по специфической комбинационной способности является неаддитивная варианса, т. е. доминантность и эпистаз, а также их взаимодействие (С. Бороевич, 1984).

Например, для оценки комбинационной способности были проведены скрещивания пяти озимых сортов мягкой пшеницы с тремя яровыми по следующей схеме (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Матрица топкроссных скрещиваний озимых сортов мягкой пшеницы с яровыми*

х - знак скрещивания.

В качестве отцовских форм (тестеров) были взяты сорта: Ирты-шанка 10, Целинная 20 и Лютесценс 34, а в качестве материнских -Мироновская 25, Чайка, Обрий, Красноводопадская 210, Тезпишар. Всего проведено 15 комбинаций скрещивания.

Таблица 4.2

Эффекты ОКС (gi g1) сортов пшеницы по массе зерна с растения, г

Результаты оценки эффектов общей комбинационной способности сортов озимой и яровой пшеницы в топкроссных скрещиваниях (табл. 4.2) показывают, что между изучаемыми сортами имелись достоверные различия по аддитивным эффектам. В условиях раннелет-ней засухи выделились сорта Лютесценс 34 и Чайка. В гибридных популяциях с данными сортами имеется более высокая вероятность выщепления трансгрессивных форм, устойчивых к преобладающему в зоне типу засухи. В жёстких условиях засушника высокие эффекты ОКС имели озимый сорт среднеазиатской богарной экологической группы Красноводопадская 210 и яровой Целинная 20. Данные сорта целесообразно включить в селекционные программы в Западной Сибири в качестве доноров засухоустойчивости и высокой продуктивности растений (В.П. Шаманин, 1983).

Диаллельные скрещивания предусматривают получение гибридов между всеми изучаемыми сортами или линиями (табл. 4.3).

Таблица 4.3

Матрица диаллельных скрещиваний (модель Гриффинга, метод 2)

 

 

Число комбинаций, или количество получаемых в результате ди-аллельных скрещиваний гибридов (без реципрокных комбинаций), вычисляют по формуле

где К - количество получаемых гибридов;

n - число анализируемых сортов или линий, взятых для скрещивания.

Например, при скрещивании между собой 6 сортов можно получить 15 гибридов.

Диаллельные скрещивания используют для определения специфической комбинационной способности (СКС) при селекции на гетерозис и при создании синтетических сортов (анализ по Гриффингу). Кроме того, диаллельные скрещивания применяют для изучения генетической детерминации количественного признака методом Хей-мана. Этот метод позволяет для конкретного селекционного материала оценить такие интегральные генетические параметры признака, как средняя степень и направление доминирования в полиморфных локусах, приблизительное число таких локусов, распределение желательных и нежелательных аллелей между сортами, генетические эффекты в наследовании признака и т.п. Эти параметры способствуют выбору оптимальной стратегии селекции по хозяйственно-ценным признакам.

Например, в результате исследований сортов и гибридов яровой мягкой пшеницы по программе ДИАС было установлено, что признак «число дней от всходов до колошения» в Барнауле имел следующий тип наследования: в 1974 г. - комплементарный эпистаз, направленное доминирование, рецессивные гены увеличивают признак; в 1975 г. -аддитивно-доминантная система генетического контроля со сверхдоминированием, доминирование направленное, рецессивные гены увеличивают признак. В оба года лучшими донорами были сорта Ред Ривер 68 и Линия 21 с доминантными генами, укорачивающими рассматриваемый период. В данном случае при селекции на скороспелость рекомендуется начинать отборы с F2, интенсивность отборов должна быть низкой (сохраняется около 90% генотипов), с F3 материал высевают по линиям и впоследствии оценивают доминантные гомозиготы по другим признакам и связям между ними.

Другим примером является селекция на продуктивность колоса в условиях Новосибирска. В 1974 г. признак «масса зерен с колоса» наследовался по типу сильного комплементарного эпистаза, отмечено направленное доминирование, рецессивные гены увеличивали признак. В 1975 г. выявлено наследование по сверхдоминантному типу, доминирование направленное, рецессивные гены увеличивали признак. Стабильным в оба года исследований был рецессивный донор -Омская 9. Рекомендуемая стратегия селекции в данном случае заключается в том, что отбор следует начинать с F2, интенсивность отбора высокая, около 5%, т. е. 95% низкопродуктивных генотипов выбраковывают в F2 и с F3 в линиях ведут контроль уровня других признаков (Генетика признаков продуктивности..., 1984).

Ведущие селекционеры США и Канады Л. Джонсон, А. Эунус, Н. Дженсен пришли к выводу, что обычная схема селекции самоопылителей с применением парных скрещиваний имеет три нежелательных качества: а) ограничение генофонда, б) накопление блоков сцепленных генов и в) отсутствие генетического обмена между исходными сортами. Поэтому на первых этапах селекции рекомендуется использовать диаллельные скрещивания, с помощью которых можно создать гибридные популяции, содержащие весь фонд генов и их сочетаний.

При использовании метода возвратных скрещиваний (беккрос-сов) полученный гибрид повторно скрещивают с одной из родительских форм. Возвратные скрещивания применяют, когда одному сорту, например А, обладающему в целом комплексом признаков, хотят передать отдельный признак или несколько признаков другого сорта (В) без нарушения целостности первого сорта. Сорт А называется рекуррентным родителем, а сорт В - донором. Гибридные растения F1 и последующих поколений, которые приобрели нужный ген или гены от сорта-донора, повторно скрещиваются с рекуррентным родителем (ВС1, ВС2 и т. д.). Возвратное скрещивание может быть одно- или многоразовым. Обычно после проведения 5-6 беккроссов удаётся почти полностью передать потомству комплекс продуктивности выбранного селекционного сорта (рекуррентного родителя), связав его с устойчивостью. При каждом возвратном скрещивании с рекуррентным родителем средняя доля зародышевой плазмы сорта донора уменьшается наполовину. Её вычисляют по формуле (1/2)", где n -число скрещиваний, в которых участвовал рекуррентный родитель. В практической селекции путём отбора можно сильно изменить соотношение зародышевой плазмы родительских сортов у гибридов в нужную для селекционера сторону.

Если рекуррентному родителю передают доминантный признак, то возвратное скрещивание можно осуществлять последовательно одно за другим:

1 -й год - А х В;

 

2-й год - (А х В) х А;

3-й год - [(А х В) х А] х А;

Завершающий год - самоопыление.

Если улучшаемому сорту передают рецессивный аллель, то возвратное скрещивание чередуют с самоопылением для перевода этого гена в гомозиготное состояние.

1-й год - А х В;

2-й год - самоопыление;

3-й год - (А х В) х А;

4-й год - самоопыление и т. д.

Метод возвратных скрещиваний впервые в 1922 г. предложили использовать Х.В. Харлан и М.Н. Поуп в селекции зерновых культур. Однако ещё в 1764 г. И.Г. Кёльрейтер применял его в межвидовой гибридизации табака.

Достоинства метода беккроссов:

1) позволяет получать результаты, которые могут быть предсказаны и воспроизведены повторно (единственный метод селекции, обладающий таким преимуществом);

2) позволяет быстро добиться селекционного успеха (при использовании теплиц и фитотронов);

3) позволяет иметь небольшой объём селекционного материала, что снижает технические затраты.

4) позволяет проводить селекционные работы в необычных для улучшаемого сорта почвенно-климатических условиях, поскольку данный сорт уже достаточно хорошо испытан в зоне своего распространения. Это помогает избавиться от длительного повторного испытания на продуктивность

Недостаток метода беккроссов заключается в том, что невозможно одновременно с увеличением резистентности или улучшением другого признака кардинально повысить потенциал продуктивности рекуррентного сорта. Кроме того, преимущества метода уменьшаются, если передаваемый от сорта-донора признак наследуется генетически сложно (зимостойкость, хлебопекарные качества) или когда этот признак имеет высокую модификационную изменчивость и низкий коэффициент наследуемости.

Данный метод используют в селекции на гетерозис. Получение линий с ЦМС, а также линий-восстановителей фертильности основа-

но на использовании возвратных скрещиваний. Кроме того, его применяют в селекции на устойчивость к болезням, при отдалённой гибридизации, для создания аналогов сортов, устойчивых к полеганию, засухе и болезням и др.

При использовании однократных возвратных скрещиваний созданы такие сорта мягкой яровой пшеницы, как Чернява 13 ((АНК 17 х ОмСХИ 6) х ОмСХИ 6), Омская 9 ((Безостая 1 х Саратовская 29) х Саратовская 29)) и др.

Сорт проса Омское 16 также создан путем насыщающих скрещиваний с последующим индивидуальным отбором.

Метод конвергентной (сходящейся) селекции основан на применении параллельных возвратных скрещиваний разных сортов доноров с одним и тем же рекуррентным родителем с целью передачи ему одновременно нескольких ценных признаков. Метод конвергентной селекции позволяет на первом этапе селекционного процесса передать улучшаемым линиям сорта-рекуррента отдельные признаки, а затем объединить их на основе улучшаемого сорта. Метод используется для выведения сортов с комплексным иммунитетом к нескольким болезням или с комплексом других хозяйственно важных признаков.

В результате конвергентных скрещиваний аналогов сорта Новосибирская 67 (АНК) создан сорт яровой мягкой пшеницы Терция (АНК-1 (красный цвет зерна - ген R3 от Арин из ФРГ) х АНК-2 (иммунитет к бурой ржавчине - ген Lr-Tr от донора К-54049 из Австралии) х АНК-3 (иммунитет к мучнистой росе - ген Pm4b от Соло из ФРГ) х АНК-7А (жёсткое опушение листа - донор К-26011 из Китая)).

Тройные скрещивания ((А х В) х С) находят применение в том случае, когда необходима рекомбинация комплекса свойств и признаков. В первое парное скрещивание вовлекаются обычно доноры ценных признаков с относительно простым наследованием (например, устойчивость к бурой ржавчине). В качестве третьего компонента необходимо привлекать высокоинтенсивный, хорошо приспособленный к условиям зоны сорт с высоким качеством зерна. Например, метод тройных скрещиваний был использован для создания реестровых сортов яровой мягкой пшеницы - Омская 20 (Иртышанка 10 х (Грекум 114 х Кавказ)), Омская 33 ((Омская 20 х Лютесценс 204/80-1) х Омская 28), Дуэт (Эритроспермум 59 х (Целинная 26 х АНК-102)), Омская 24 ((Сибирячка 8 х Тургидум 1578) х Краснодарская 39); яровой твёрдой пшеницы - Ангел ((Гордеиформе 497 х к-43101) х Атлант 14); овса - Тарский 2 ((Мутика 290 х Бизантина 474) х к-12914), Иртыш 21 ((Мутика 611 х Мутика 570) х Скакун); гороха - Демос ((Зеленозёрный

1 х Труженик) х Senfinell); картофеля - Сентябрь ((Аквила х Катадин) х Зарево) и др.

При ступенчатой гибридизации полученные гибридные растения повторно скрещивают с третьим сортом, а если необходимо, то вовлекают и четвёртый сорт или вид и т.д. Таким образом, в этих скрещиваниях участвует несколько родительских форм, которые последовательно (ступенчато) включаются в гибридизацию: [(А х В) х С] х Д (цитоплазма сорта А, а ядерных генов - 50% Д, 25% С, 12,5% А и В соответственно). Другая формула: [(А х В) х (С х Д)] х Е. При ступенчатой гибридизации создаётся гибридный материал, включающий зародышевую плазму нескольких сортов или даже видов растений. Подбирая для последовательной ступенчатой гибридизации сорта с разными хозяйственно-ценными признаками можно рассчитывать на получение гибрида, сочетающего все эти признаки. Ступенчатые скрещивания применяют также при отдалённой гибридизации, когда путём последовательных скрещиваний стремятся объединить в гибриде ценные свойства трёх или большего числа видов.

С большим успехом ступенчатую гибридизацию применял известный отечественный селекционер А.П. Шехурдин. В НИИ сельского хозяйства Юго-Востока сформулирована концепция эволюционного подхода к использованию исходного материала (А.П. Шехурдин, 1946; В.Н. Мамонтова, 1980; Л.Г. Ильина, 1970). В процессе сложной ступенчатой гибридизации (главным образом местного материала) постепенно накапливаются в одном генотипе наиболее ценные для засушливых условий региона признаки. Подбор пар для каждого очередного скрещивания проводится по принципу комплементарности. С помощью этого метода созданы ценные сорта яровой пшеницы Альбидум 43, Саратовская 29, Саратовская 36 и др. Например, сорт Саратовская 29 создан в результате трёхступенчатого скрещивания: Белотурка х Полтавка - Сарроза х Лютесценс 91 - Альбидум 24 х Лютесценс 55/11 - Саратовская 29. В ряде случаев ступенчатые скрещивания используют на завершающем этапе селекции, а также при межлинейной гибридизации кукурузы и других культур в целях использования эффекта гетерозиса, в частности при получении трёхлинейных, сортолинейных и линейносортовых гибридов. Для повышения эффективности метода ступенчатой гибридизации необходимо дополнять его возвратными скрещиваниями, благодаря которым можно быстро усилить в гибридных потомствах продуктивный комплекс лучшей родительской формы.

Из новых сортов яровой мягкой пшеницы, созданных методом ступенчатых скрещиваний, следует отметить такие, как Страда Сибири ({[(Ранг х Гибрид 21) х Иртышанка 10] х (сложный гибрид к-54049 х Лютесценс 1633/з617)}) и Новосибирская 15 (((Безенчукская 98 х Иртышанка 10) х Тулунская 10) х Новосибирская 22). Сорт картофеля Алёна также создан в результате ступенчатых скрещиваний: [(Ранняя роза х Катадин) х Камераз] х Зарево.

 

Метод сложного, или межгибридного, скрещивания используют для создания исходного материала с большой широтой генетической изменчивости. Метод применяют в двух вариантах. Используя пыльцевую стерильность материнских растений, проводят диаллель-ное скрещивание большого числа разных сортов. Полученные потомства отдельных комбинаций в F2 смешивают и эту смесь высевают в течение нескольких поколений в качестве популяции. После достижения определённой степени гомозиготности проводят отбор методом педигри. Межгибридные скрещивания: популяция создаётся путём скрещивания большой группы родительских форм, причём скрещиваются особи F1.

Например:

1-й год (1 х 2); (3 х 4); (5 х 6); (7 х 8);

2-й год (1 х 2) х (3 х 4); (5 х 6) х (7 х 8);

3-й год [(1 х 2) х (3 х 4)] x [(5 х 6) х (7 х 8)].

С помощью этого способа в течение нескольких поколений скрещивания создаётся предпосылка для образования рекомбиниро-ванного генотипа, гены которого могут происходить из всех участвующих в скрещиваниях сортов или линий. Недостаток метода в том, что он не исчерпывает источник рекомбинационной изменчивости, который открывается в результате скрещивания большого количества разных генотипов, что обусловлено ограниченностью технических возможностей при проведении скрещиваний.

Наиболее простой вариант межгибридного скрещивания - получение двойных гибридов ((А х В) х (С х D)). В этом случае каждый из четырёх родителей вносит в гибрид по 25% своего наследственного материала. Данный тип скрещивания применяется, например, при производстве семян двойных гибридов кукурузы с целью использования эффекта гетерозиса.

Сорт ячменя Омский голозерный 1 (Голозерный х Омский 88) х (Голозерный х Омский 91) создан также с помощью двойных скрещиваний.

 

3. Техника скрещивания зависит от вида растения, особенностей его биологии, строения и размера цветка, способа размножения и оплодотворения. Скрещивание включает следующие этапы: 1) подготовка соцветия к скрещиванию; 2) кастрация и изоляция цветка; 3) сбор пыльцы с отцовского растения; 4) непосредственное опыление кастрированного материнского растения.

При работе с культурами, у которых кастрированный цветок может дать только одно семя (пшеница, ячмень, рожь и другие злаки), требуются большие затраты труда на получение нужного количества гибридных семян в отличие от мака, табака, у которых один цветок образовывает несколько сотен и тысяч семян.

К выбору цветка (соцветия) предъявляются следующие требования: 1) к моменту его кастрации он не должен быть оплодотворён; 2) цветок (или соцветие) должен быть нормально развит.

Подготовка колоса (пшеница, рожь, ячмень), намеченного к кастрации, сводится к следующему. Сначала с помощью пинцета удаляют менее развитые нижние и верхние колоски, оставляя обычно по пять с каждой стороны (у остистых форм предварительно обрезают ости). Затем у культур, у которых в колоске более двух цветков (пшеница, рожь, овёс), удаляют менее развитые средние цветки. В результате проведённой операции на подготовленном к кастрации соцветии оставляют чаще 18-22 цветка, после чего приступают непосредственно к кастрации.

У некоторых культур перед кастрацией удаляют венчик и чашечку цветка. У зерновых культур (пшеница, рис) можно обрезать верхнюю половину околоцветника вместе с пыльниками, не повреждая рыльце. Срезанные пыльники удаляют с помощью форвакуумного насоса ВН-461.

 

У самоопыляющихся культур кастрация при скрещивании обязательна. Для скрещивания выбирают хорошо развитые цветки.

У пшеницы оставляют 10-12 колосков в средней части колоса, а в каждом колоске - два нижних, самых развитых цветка. Кастрацию пшеницы лучше проводить, когда колос выйдет из раструба верхнего листа на 2/3. Кастрацию начинают с нижнего колоска.

У ячменя цветки не собраны в колоски, а прикрепляются к стержню колоса самостоятельно. Опыление происходит до колошения, поэтому кастрацию проводят раньше, чем у пшеницы - в момент обозначения колоса в раструбе верхнего листа видны только верхушки остей. На каждом уступе оставляют только по одному среднему колоску.

Созревание пыльников у овса идёт одновременно с выбрасыва­нием метёлки из раструба верхнего листа. Поэтому цветки кастриру­ют в тот момент, когда покажутся первые 3-4 колоска. Пыльца овса очень чувствительна к температурным условиям. В жаркую сухую погоду она быстро теряет жизнеспособность, поэтому опыление луч­ше проводить в закрытых помещениях с ровной температурой в веге­тационных сосудах или горшках. Рыльце цветка очень нежное и быстро отмирает под действием прямых солнечных лучей и сухого тёплого воздуха. Поэтому скрещивать овёс лучше вечером или рано утром. Для кастрации на метёлке оставляют по 8-12 наиболее разви­тых цветков, по одному нижнему в каждом колоске.

У проса растение к скрещиванию готовят на 2-3-й день после начала цветения метёлки. Пинцетом удаляют все малоразвитые верх­ние и нижние бутоны и отцветшие цветки, оставляя 60-70 самых раз­витых цветков в средней части. Лучшее время кастрации - утро (до 11 ч) и вечер (после 16 ч). Пыльники удаляют пинцетом или иглой.

Кастрацию гороха проводят в момент полного развития бутона. Отцветшие и недоразвитые цветки удаляют. В кисти оставляют 1­2 пригодных для кастрации цветка. Пинцетом отгибают в сторону флаг и крылья, прикрывающие лодочку. Затем препаровальной иглой разрезают лодочку вдоль киля и удаляют все тычинки. При удалении пыльников концом пинцета необходимо брать за тычиночные нити, так как пыльцевые мешочки легко разрываются. Опыление произво­дят перенесением созревших пыльников с отцовского растения ки­сточкой или пинцетом сразу после кастрации или через 1-2 дня после неё, в момент созревания рыльца.

У картофеля для скрещивания оставляют 3-5 бутонов в соцве­тии, которые должны раскрыться, остальные удаляют. Пыльники удаляют остро отточенным карандашом после вскрытия венчика. По­сле кастрации всё соцветие помещают в пергаментный изолятор. Можно не кастрируя изолировать только одно рыльце, надев на него полую соломину длиной 3-4 см. Опыляют сразу после кастрации, так как рыльце созревает на 3-4 ч раньше пыльников. Опыляют каран­дашом или пипеткой. Через 10-12 дн. после опыления изолятор сни­мают. Собранные ягоды дозаривают в тёплом помещении.

После выбора и подготовки необходимых для скрещивания со­цветий или цветков осуществляют их кастрацию. Разработано не­сколько способов кастрации.

При термокастрации соцветия замачивают на несколько минут в тёплой воде (температура 42-44°С) или подвергают воздействию низ­ких температур (от -2,2 до -2,8°С). Однако попытка использовать предварительно нагретую воду в качестве гаметоцида не увенчалась успехом (В.А. Зыкин, 1980).

Для химической кастрации используют селективные вещества, или гаметоциды, которые препятствуют развитию пыльников и пыльцы. Важно, чтобы они не оказывали мутагенного действия. Материнские рас­тения опрыскивают гаметоцидами за несколько дней или недель до цве­тения. В качестве гаметоцидов используют - гидразид малеиновой кисло­ты, этрел, эпихлоргидрин глицерина, кальциевые соли ароматических кислот, метиловый эфир цис-2-метил-3-циклогексенкарбоновой кислоты, эфиры фталевой кислоты, 3-карбоксиацетидин и др. Термическую и химическую кастрацию проводят у культур с мелкими цветками и слабой дифференциацией тычинок и рыльца (просо, сорго, чумиза, злаковые травы). Гаметоциды уже используют для промышленного производства гибридов с целью использования эффекта гетерозиса.

Е.А. Родиным и В.В. Смирновым (1981) разработано устройство для гибридизации растений на основе использования электричества. Оно содержит источник высокого напряжения, коронирующий и оса- дительный электроды. Повышение эффективности кастрации в дан­ном случае достигается за счёт создания сильно сконцентрированно­го радиального электрического поля вокруг зацветшей части расте­ния. Коронирующий электрод выполнен в виде полусферы, перехо­дящей в цилиндр, на внутренних поверхностях которого установлены радиально ориентированные металлические иголки.

Академиком ВАСХНИЛ Д.А. Долгушиным был предложен спо­соб кастрации пшеницы, ячменя и ржи путём чеканки колоса (под­стригания колосков ножницами). При использовании данного спосо­ба получаются очень мелкие гибридные семена. Н.М. Сатаров (1962), взяв за основу этот метод, заменил приём подстригания колосков ножницами на приём сдавливания их пинцетом. Пшеницу лучше ка­стрировать путём сдавливания пинцетом каждого цветка на уровне верхушек пыльников, рожь - путём сдавливания каждого колоска на уровне ниже середины пыльников. При этом достигается соответ­ственно 95 и 98% кастрации и 54 и 70% завязывания семян. Производи­тельность кастрации возрастает по пшенице в три, по ржи - в пять раз.

Метод чеканки колоса был уточнён Б.Г. Рейтером и Л.П. Россее- вой (1990). Суть усовершенствования сводится к тому, что за 3-4 дня до цветения обрезают колоски на середине колосковых чешуй под углом 20-30° к прямой, параллельной основанию колоска и проходя­щей через его середину, обеспечивая достаточное повреждение пыльника и оставляя неповреждённым рыльце пестика.

Кастрация пшеницы может быть проведена путём стерилизации пыльцы парами летучих веществ (нафталин, керосин, дизтопливо). При заключении колосьев остистых сортов пшеницы на 48 ч, а безостых - на 72 ч под изоляторы, смазанные внутри керосином, достигается 97-99% гибели пыльников. Завязи при опылении дают 40-70% крупных жизнеспособных семян.

Как правило, в селекции применяют механическую кастрацию -удаление из цветков материнских растений недозрелых пыльников для того, чтобы на рыльце материнского цветка не попала собственная пыльца. Пыльники удаляют из цветка пинцетом, не повреждая столбик и рыльце. Для селекционных и генетических целей этот способ пока является наиболее надёжным.

Перед кастрацией планируют объём работ. Для этой цели предложена формула определения необходимого для кастрации и опыления количества колосьев (N) при получении запланированного числа гибридных зёрен (В.А. Зыкин, 1980) (4.5).

где N - необходимое для кастрации и опыления число колосьев, шт.; G - планируемое число семян; Т - завязываемость, %; F - оставляемое при кастрации и опылении количество цветков в соцветии.

Например, по каждой комбинации запланировано получить не менее 200 гибридных зёрен, завязываемость гибридных зёрен составляет в среднем 60%, в колосе при гибридизации оставляется в среднем около 20 кастрированных цветков. Тогда необходимое для кастрации число колосьев по каждой гибридной комбинации составит:

После кастрации с помощью специальных изоляторов из пергамента и других материалов проводят изоляцию соцветий или отдельных цветков. На изоляторе или этикетке, а также в журнале гибридизации пишут: номера прокастрированных соцветий (цветков), номер делянки материнской формы, дату кастрации, количество прокастрированных цветков и фамилию селекционера.

Через некоторое время после кастрации и изоляции цветков или соцветий проводят искусственное опыление материнских растений пыльцой отцовских форм. Опыление проводят с помощью кисточки (пинцета, пипетки) или другим методом в ранние утренние часы (с 6 до 10 ч), когда рыльце наиболее восприимчиво к пыльце. При проведении опыления кастрированных растений необходимо учитывать

долговечность рылец пестиков материнских форм, а также пыльцевую продуктивность и жизнеспособность пыльцы у отцовских форм.

Долговечность рылец у злаков варьирует от 5 до 14 сут у ржи, от 5 до 11 сут - у пшеницы и от 12 до 20 сут - у кукурузы. Долговечность рылец существенно зависит от влажности и температуры воздуха в момент гибридизации. При засушливой погоде долговечность рылец снижается, и опыление проводят раньше. Например, у пшеницы опыление обычно проводят через 2-5 сут после кастрации. Для снижения отрицательного влияния засухи на рыльца пестиков можно проводить опрыскивание изоляторов водой из пульверизатора.

Пыльцевая продуктивность в пределах рода зависит от уровня плоидности и генотипа. У диплоидных видов пшеницы число пыльцевых зёрен в цветке колеблется от 6027 до 12699, у тетраплоидных -от 5472 до 11088, у гексаплоидных - от 4320 до 10578. Соответственно опылённость рыльца (число пыльцевых зёрен на рыльце) цветка после опыления: 60-121, 24-67 и 22-120. Пыльцевая продуктивность одного цветка у Secale cereale достигает 57000, у Zea mays - 10000 пыльцевых зёрен.

Чем крупнее пыльник, тем больше пыльцы образуется. Так, у 26 сортов мягкой пшеницы его размеры колебались от 3,67 до 5,25 мм, число пыльцевых зёрен - от 2031 до 5094.

Озимая пшеница образует большее количество пыльцы по сравнению с яровой, поэтому её лучше использовать в качестве отцовского компонента при скрещивании с яровой пшеницей.

А.Н. Агеев с коллегами (1973) для повышения пыльцевой продуктивности растений предлагает перед посевом семена пшеницы обрабатывать 0,1%-ным раствором йодвисмуткомплексоната в течение 18 ч при 18-20°С.

При нормальных условиях жизнеспособность пыльцы короткая (от нескольких минут до нескольких часов). При температуре -20°С и влажности воздуха 25% пыльца сохраняет способность к прорастанию в течение нескольких месяцев. Кратковременно можно хранить при температуре около 0°С. Например, при хранении пыльцы ржи в стек­лянных стаканчиках на открытом воздухе она утрачивала способность к прорастанию в 30%-ном растворе сахарозы в течение суток, сохра­няя её на рыльцах даже на четвёртые сутки. Пыльца пшеницы менее жизнестойка, чем ржи.

Для перекрёстноопыляющихся растений при свободном ветро- опылении необходимо учитывать рассеивание пыльцы и сферу эф­фективного ветроопыления. Так, например, радиус и высота рассеивания пыльцы у ржи составляет соответственно 1600 и 1000 (2000) м, у кукурузы - 91,7 м. Данная информация имеет значение не только

для селекции, но и учитывается в процессе семеноводства сортов перекрёстноопыляющихся культур (В.А. Зыкин, А.Х. Шакирзянов, 2001).

Большое значение для повышения эффективности гибридизации имеет совмещение сроков цветения родительских форм. Разницу во времени цветения материнских и отцовских компонентов устраняют несколькими путями: 1) проводят посев родительских форм в разные сроки; 2) регулируют световой режим; 3) удаляют соцветия, чтобы вызвать регенерацию и продлить время цветения (подкашивание); 4) яровизируют позднеспелые сорта; 5) если скрещивают озимые сорта с яровыми, последние высевают под зиму, поздно осенью, или очень рано весной, в теплицах или вегетационных домиках.

Для совмещения сроков цветения разновременно цветущих сортов и продления процесса гибридизации в Самарском госуниверситете (Н.А. Егорцев, А.М. Медведев, Ю.Д. Царевский, 2002) разработан новый способ гибридизации пшеницы. Суть данного способа заключается в том, что срезанные стебли пшеницы помещают в питательный раствор и хранят в холодильнике при пониженной плюсовой температуре до проведения искусственного опыления. Питательный раствор содержит 25-30 г сахара, 5 г лимонной кислоты, 30 мг хлорамина и 5 кристаллов тимола на 1 л воды. После содержания в холодильнике срезанные стебли кастрируют и производят искусственное опыление в лабораторных или полевых условиях.

В селекции полевых культур применяют несколько методов опыления.

1. Принудительное опыление (классический метод). В каждый цветок пинцетом вкладывают по 1-2 зрелых пыльника. Пыльцу предварительно собирают в баночки или пакеты в день опыления во время массового цветения. Цветки материнского растения опыляются пыльцой одного отцовского растения. Этот метод применяют в настоящее время при гибридизации овса.

2. Краснодарский (групповой) метод (НИИСХ им. П.П. Лукьяненко). Материнское растение свободно опыляется пыльцой нескольких специально подобранных отцовских сортов.

Пять-шесть кастрированных колосьев материнского сорта заключаются в один общий изолятор (20 х 35 см), в который через 3-5 дн. вводят вставленные в бутылку с водой колосья отцовского сорта (по 1,5-2 колоса на каждый материнский). Отцовские колосья должны быть выше материнских. Групповой метод позволяет повысить производительность труда при опылении и увеличивает количество завязавшихся зёрен.

3. Опыление методом сближения. При этом заранее подобранные для скрещивания родительские формы высевают смежными рядками. Кастрированные колосья материнского сорта помещают под общий изолятор с колосьями рядом растущего отцовского сорта. Недостатки этого метода: 1) сорта могут значительно различаться по продолжительности вегетационного периода; 2) материнские растения могут быть выше отцовских; 3) пары нужно подбирать заблаговременно.

4.«Твел»-метод разработан в СИММИТ. При использовании этого метода колосковые и цветковые чешуи обрезают очень коротко. Колосья отцовской формы (по одному на каждый материнский) ставят на (4-5 ч) в банку с горячей водой. У них также низко обрезают колосковые и цветковые чешуи. Когда в отцовском колосе появятся пыльники из нескольких цветков, его вводят в открытый изолятор и несколько раз вращают.

5. Камерный метод разработан В.А. Зыкиным и В.Ф. Куцом (1978). Он совмещает преимущества Краснодарского и «твел»-метода. Для опыления применяют камеру, представляющую собой картонный или сделанный из оргстекла цилиндр диаметром 8 см с отверстием в верхней части диаметром 4,0-5,5 см в виде усечённого конуса (рис. 4.5).

 

 

 

Рис. 4.5. Устройство для опыления растений: 1 - камера;

2 - усечённый конус крышки камеры; 3 - изолятор; 4 - скрепка;

5 - упорное ограничительное кольцо; 6 - эластичные дуги (В.А. Зыкин, А.Х. Шакирзянов, 2001)

Высота цилиндра камеры 18 см. Отцовские растения при выбрасывании пыльников помещают в камеру через усечённый конус крышки. Камеру вводят до упорного ограничительного кольца в изолятор с материнскими колосьями так, чтобы отцовские колосья их не касались. При взаимодействии эластичных дуг кольца с отцовскими колосьями зёрна пыльцы с пыльников полностью сбрасываются, тщательно перемешиваются и попадают в цветки материнских колосьев, производя их опыление без повреждения.

6.Свободное ветроопыление (свободное неограниченное опыление) - материнское растение может свободно опыляться пыльцой всех произрастающих вокруг сортов и форм. Растения материнского сорта высевают посредине посева отцовского сорта. Проводят кастрацию подобранных материнских соцветий, остальные соцветия материнского сорта срезают. Опыление производится растущими вокруг растениями отцовского сорта.

После опыления на изоляторе и в журнале гибридизации пишут номер делянки отцовской формы, дату опыления и фамилию селекционера, проводившего опыление.

Гибридизация у перекрёстноопыляющихся ветроопыляемых и насекомоопыляемых культур, а также у двудомных и однодомных растений имеет некоторые особенности, связанные преимущественно с биологией их цветения и опыления.

У перекрёстноопыляющихся культур кастрацию проводят в тех случаях, когда аутостерильность встречается редко или не обнаруживается совсем. У ржи зрелые пыльники выходят из цветка ниже рыльца, поэтому пыльца на рыльце своего цветка не попадает. Кастрацию не проводят, а прямо опыляют колос одного растения пыльцой другого. Колос материнского растения сразу после выхода из трубки изолируют. Как только начинает зацветать отцовское растение, один из его колосьев подводится под изолятор, где и остаётся до конца созревания. Подведение отцовского колоса осуществляют путём подстановки сосудов (при выращивании в сосудах), путём подсадки (прикапывания) отцовского растения к материнскому или подсовывания в изолятор срезанного цветущего колоса. Отцовский стебель с корнем можно вставить в пробирку с водой, привязанную к материнскому колосу. К кастрации у ржи прибегают только при скрещивании с целью генетического изучения признаков. В Сиб-НИИСХе цветки материнских форм ржи кастрируют путём подрезания цветка и находящихся в нём пыльников. Подобным образом скрещивают Тимофеевку.

Изоляция клевера производится путем надевания мешочка из батиста на соцветие через 2-3 дня после раскрытия бутонов. Кастрация не проводится. При опылении берут вполне расцветшую головку отцовского растения и при помощи заострённой спички переносят с неё пыльцу. Для этого концом спички нажимают на край лодочки, которая отгибается, освобождая пыльники. Проводя по последним краем

Литература:

1. Сагалбеков Е.У., Зотова Л.П. Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур, Астана: Издательство Казахского агротехнического университета им. С. Сейфуллина, 2015.-258с.

2. Таранухо Г.И. Селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур: Учебник. – Минск: ИВЦ Минфина, 2009. – 420 с.

3. Ведров Н.Г. Селекция и семеноводство полевых культур: учеб. пособие. - Красноярск, 2008.-300 с.

4. Пыльнев В.В., Коновалов Ю.Б., Березкин А.Н. Практикум по селекции и семеноводству полевых культур: Учебное пособие (практикум). – М.: «КолоС», 2008. – 404 с.

5. Малицкая Н.В., Сыздыкова Г.Т., Аужанова М.А. Семеноводство зерновых культур в Северном Казахстане: курс лекций. - Петропавловск: СКГУ им. М. Козыбаева, 2016.-90с.