Лекция 13 Сортоведение полевых культур.

План

1.Методы сортоведения.

2.Эколого-географическая систематика растений.

3. Признаки и свойства сортов.

 

1. Предмет сортоведения – ботаническая, экологическая и генетическая характеристика, признаки и свойства сортов и их распространение.

Отличительными чертами ботанического и генетического изучения сортов культурных растений являются:

1) необходимость исследования живого материала во всех стадиях его произрастания и

2) необходимость проведения опытов с этим материалом, так как одних только наблюдений для изучения сортов недостаточно.

Для всестороннего изучения сортов сортоведение использует комплекс методов. Опыты с живыми растениями проводятся четырьмя основными методами:

1) полевым, 2) вегетационным, 3) вегетационно-полевым и микрополевым, 4) лабораторным.

Полевой метод используется для сравнения различных сортов в разных условиях климата и почвы и для определения влияния разных географических условий на изменение определённых признаков у одного и того же сорта. Например, полевой метод используют для срав-нения эффективности действия какого-либо минерального удобрения на урожай определённой культуры в разных районах и на разных почвах.

Полевой опыт является биоценотическим и наиболее полно выявляет закономерности посева, а не организменного уровня организации. Характеристики продуктивности отдельного растения получа-ются в полевом опыте как среднее значение по достаточно большим выборкам (С.Ф. Коваль, В.П. Шаманин, 1999). При постановке полевых опытов необходимо соблюдение целого ряда условий, гарантирующих правильность выводов. К основным из них можно отнести следующие:

1. Создают совершенно одинаковые условия в опыте для всех испытуемых растений, за исключением изучаемого фактора. Например, если изучается отзывчивость на удобрение, то нужно выбрать участок, выравненный по плодородию, равномерно распределить удобрение по всей площади, сорта высеять в одно время и одинаковым способом, т. е. так, чтобы отдельные участки различались только сортами.

2. Устраивают так называемый контроль или контрольный уча-сток, который был бы лишён того фактора, действие которого определяется. Так минеральное удобрение вносят только на половине участка, занимаемого каждым сортом, другую половину оставляют без удобрения.

3. Организовывают достаточное число повторностей (4–6) опыта в пространстве и во времени. Опыты проводят несколько лет подряд, чтобы сгладить влияние метеорологических факторов.

4. Размер участка выбирают соответственно теме опыта. Стараются приблизиться во всех отношениях к хозяйственным условиям. Размеры посевов могут колебаться от делянок лощадью 1–2 м2 в коллекционном питомнике до сотен гектаров в крупных опытах, закладываемых в хозяйственной обстановке или в посевах размножения селекционных сортов. Наиболее точно сорта изучают в опытах по сортоиспытанию, которые проводят по специально разработанной методике.

Результаты наблюдений и опытов записывают в журнал. Итоги обрабатываются статистическим методом и в завершении делают выводы.

В поле целый ряд условий не поддаются воздействию человека. Поэтому для более точного исследования и для изучения факторов роста растений, трудно выделяемых из совокупности природных условий, используют вегетационный метод. Сущность вегетационного метода в том, что растения выращивают в специальных цинко-вых («вагнеровских») или пластмассовых сосудах в специальных за-крытых помещениях-оранжереях, вегетационных домиках и лабора-ториях. Здесь можно регулировать все факторы роста растений – количество и качество света, количество тепла, влаги, питательных веществ. При постановке вегетационных опытов соблюдают те же пра-вила, что и в полевых опытах. Учитывают, кроме того, искажающие факторы – форму и размер сосудов, способы поливки и др.

Вегетационный опыт в почвенной культуре корректен: 1) для установки уровня обеспеченности конкретной почвы запасами мине-ральных питательных веществ для получения заданной продуктив-ности растения; 2) определения ближайших эффектов от мелиори-рующих веществ (например, извести); 3) изучения отзывчивости сортов на уровне физиологии организма на подкормки, гербициды, ретарданты, стимуляторы роста; 4) исследования видовой и сортовой физиологии устойчивости растения к жаре, засухе, заморозкам или к их комбинированному воздействию. При постановке вегетационных опытов в почве следует использовать по возможности более крупные и глубокие сосуды. Кроме почвенной в вегетационных опытах ис-пользуют водную, гидропонную и песчаную культуры (С.Ф. Коваль, В.П. Шаманин, 1999).

Вегетационно-полевой и микрополевой методы используют, когда опыты закладываются в сосудах без дна глубиной 50–60 см, вкопанных вровень с поверхностью поля и наполненных изучаемой почвой, или путём вкапывания на одном полигоне вырезанных моно-литов с растениями. В некоторых случаях используют траншею, вы-стеленную по стенкам полиэтиленовой плёнкой и разделённую попе-речными перегородками на отдельные участки, имитирующие сосу-ды. Перед посевом проводят влагозарядковый полив, а в дальнейшем растения обеспечиваются водой за счёт дождей и из подпочвенных горизонтов. Вегетационно-полевой метод незаменим при изучении почвенной симбиотической и патогенной микрофлоры, некоторых насекомых вредителей. Комбинирование вегетационно-полевого ме-тода с засушниками, глухими плёночными покрытиями для повыше-ния температуры или затеняющими марлевыми пологами, примене-ние разных сроков сева позволяют в какой-то степени уменьшить ос-новной недостаток данного метода (как и полевого) – зависимость от погодных условий конкретного года (В.П. Шаманин, 1994).

Лабораторные методы используют, как правило, при работе с отсечёнными органами и проростками. При этом на живой объект оказывается кратковременное (до нескольких дней) воздействие с обеспечением только тех экологических условий, которые непосред-ственно влияют на изучаемые процессы или же необходимы для со-хранения жизнедеятельности в течение опыта. Например, на отсечённых органах выполнена большая часть работ по физиологии устойчи-вости клеток к экологическим факторам. Результаты лабораторных опытов на проростках можно с известной осторожностью экстрапо-лировать на взрослое растение. На этом основаны многочисленные методики диагностики устойчивости образцов в селекции.

В сортоведении и прикладной ботанике выделяют ряд направлений в изучении сортов культурных растений.

1. География культурных растений. Для выведения новых сортов и их изучения важно знать ареал распространения каждого культурного растения, т. е. знать район или место произрастания и его природно-географические условия – почвы, климат, рельеф местности, высота над уровнем моря и т. д. Эти данные необходимы для того, чтобы знать, из каких районов и какие растения нужно брать для успешного их произрастания. При этом учитывают, что географическая широта района не всегда имеет решающее значение. Во многих случаях большое значение принадлежит высоте над уровнем моря.

Зная географию культурных растений, можно указать страны и районы, откуда необходимо взять исходный материал или откуда можно перенести в культуру новое растение, ранее не произраставшее в данной местности. Также можно с большой вероятностью указать районы нашей страны, где данное растение или сорт может возделываться с наибольшим успехом.

2. Морфология и систематика. Селекционер должен уметь отличать одни ботанические формы и сорта от других по внешнему виду. Морфология изучает внешние признаки растения и его частей.

Систематика – наука о разнообразии организмов и взаимоотношениях между ними. В 1813 г. О. Декандоль предложил термин таксономия – раздел систематики, посвящённый принципам, методам и правилам классификации организмов. Методы классификации основаны на выяснении сходства организмов, определении гомологичности их признаков и общности происхождения.

3. Прикладная физиология растений. Для селекции и сортоведения особый интерес представляют такие признаки, которые при внешнем осмотре незаметны: отношение данной формы или сорта к факторам роста – теплу, влаге, свету, питательным веществам, а также биологические признаки – длина вегетационного периода, озимость или яровость и ряд других внутренних признаков. Все это изучается прикладной физиологией.

4. Экология растений тесно связана с географией. Экология растений изучает изменения, происходящие в растении под влиянием условий среды, в состав которой входят внешние природно-географические условия, а также различные виды живых организмов.

5. Анатомия культурных растений. При изучении анатомических признаков растения, в систематике и при исследовании продуктивности разных культур, особенно технических, необходимо использовать методы анатомии, которая изучает внутреннее строение тканей и органов растений.

6. Биохимия растений исследует такие вопросы, как количество и качество химической продукции растений, процессы накопления тех или иных химических веществ и их зависимость от внешних условий. Это направление тесно связано, с одной стороны, с физиологией, особенно в части изучения процессов синтеза в растении определённых химических веществ, а с другой – с техническим изучением культурных растений.

7. Техническое изучение культурных растений. Техническое изучение является ответвлением технологии, применяемой ботаником и селекционером при изучении сортов как вспомогательное средство. Например, определить качество хлеба можно только путём пробного помола зерна данного сорта и выпечки из него хлеба. Качество хлеба непосредственно связано с химическим составом зерна, в частности с количеством белковых веществ. Техническое исследование проводят также у прядильных, дубильных, каучуконосных и других технических растений. Биохимия и технический анализ дают указания селекционеру при выборе им исходного материала и проверяют качество уже выведенных селекционерами сортов.

8. Генетическое изучение. Селекционер должен быть уверен, что при размножении потомство образца или сорта унаследует все его свойства. Для этого выведенный или выделенный сорт подвергается генетическому изучению. Проводят его проверку на константность или постоянное наследование потомством интересующих признаков растений. Если в коллекции не найдены растения, удовлетворяющие поставленным требованиям, то ставится задача по созданию

нового сорта. Если среди растений коллекции есть образцы, обладающие отдельными нужными признаками, то проводят их скрещивание для объединения данных признаков в одном генотипе. Для того чтобы скрещивание было успешным, необходимо провести предварительное генетическое изучение растений и установить закономерности, по которым наследуются те или иные признаки. Определяют количество и морфологию хромосом, проводят отдалённые скрещивания с целью изучения родства геномов, изучают наследование и генетическую обусловленность признаков и др.

 

2. Эколого-географическая систематика растений.

Для выведения новых сортов необходим исходный материал. Изучение и правильное использование исходного материала опирается на знание систематики растений. Основной систематической единицей является вид. Особи одного вида обладают сходством между собой, легко скрещиваются и дают плодовитое потомство. Они приспособлены к жизни в определённых условиях и вследствие этого занимают определённый ареал (район распространения).

Ботаническая систематика даёт знания о сходстве, различиях и происхождении различных таксономических единиц, но для практической селекции их недостаточно. Для неё необходимо знание не только видового и разновидностного состава культуры, но и дифференциации её по биологическим особенностям, с которыми связано приспособление растений к различным условиям произрастания. Растения, относящиеся к одной и той же ботанической разновидности, но разного географического происхождения, могут резко различаться по устойчивости к засухе, низким температурам, поражению болезнями и повреждению вредителями, а также по биохимическим свойствам. Растения двух форм могут относиться к различным разновидностям, но характеризоваться сходными биологическими особенностями.

В связи с тем, что в природе имеются биологические различия между формами растений в пределах одного вида, в селекции существует важное понятие – экологический тип, или экотип. Экотип (от греч. eikos – дом, жилище; tipos – место) – это относительно наследственно устойчивая форма данного вида, свойственная определённым почвенно-климатическим условиям и приспособленная отбором к существованию в этих условиях. Например, северная и южная формы костра безостого – два отдельных экотипа этого вида, они суще-ственно различаются по биологическим свойствам.

Наука, изучающая взаимоотношения растений и окружающей среды, закономерности формирования экотипов, называется экологией. Экология установила три важных общих экотипа растений: ксе-рофит, гигрофит и мезофит. Растения, приспособленные отбором к засушливым условиям существования, называются ксерофильными, к жизни в избыточно увлажнённых местообитаниях – гигрофильными, к произрастанию в условиях среднего (достаточного) увлажнения – мезофильными.

Для селекции необходимо иметь характеристику одних и тех же и различных форм растений при выращивании их в разных почвенно-климатических условиях. При этом важно знать различия в продолжительности вегетационного периода и структуру вегетационного периода, элементы структуры урожая, вегетативные признаки (длина стебля, облиственность, отрастаемость после повреждений и т. д.), степень устойчивости к различным формам засухи и к действию низких температур у озимых.

Кроме того, необходимо изучить тип цветения (открытое, закрытое) и его изменение при различных условиях, степень устойчивости к болезням и вредителям с учётом расового состава, различия по при-знакам, определяющим приспособленность к механизированной

уборке урожая (полегание, осыпание и др.). Учитывают также различия по биохимическому составу урожая (содержание белка, сахара и др.) и отношение к условиям увлажнения (ксерофильный, гигрофиль-ный или мезофильный тип развития).

Характеристика растительных форм, установление степени их сходства и различий по перечисленным и многим другим биологическим особенностям даётся в результате их эколого-географической группировки. Различные географические формы растений всегда произрастают в различных условиях и приспосабливаются к ним путём отбора как определённые экологические формы. Поэтому географические формы могут одновременно рассматриваться как экологические.

Основоположник эколого-географической систематики культурных растений – академик Н.И. Вавилов. Он установил определённые закономерности в дифференциации видов на эколого-географические группы. Каждая эколого-географическая группа характеризуется сходными для всех культур признаками, сформировавшимися под влиянием отбора в одних и тех же природно-географических условиях.

Эколого-географическая систематика даёт селекционеру возможность ориентироваться в многообразии культурных растений и помогает отыскивать нужные формы и сорта.

В пределах нашей страны проведено эколого-географическое изучение многих культур, выделены и описаны основные экотипы, сложившиеся в связи с условиями местообитания и возделывания.

Например, сорта мягкой пшеницы относятся к одиннадцати экологическим группам. Наибольшее значение имеют северорусская (северная лесная) и сборные группы – степная и лесостепная (в широком смысле) экологические группы.

Сорта яровой мягкой пшеницы, характерные для условий Западной Сибири, относятся преимущественно к лесостепной западносибирской экологической группе, которая объединяет большей частью яровые сорта, заходящие и в степные районы Западной Сибири.

Пшеницы данной группы позднеспелые, с замедленным темпом развития до кущения, многие с полустелющейся формой куста. Хорошо переносят весеннюю засуху, менее требовательны к теплу в период созревания. Кустистость и продуктивность средняя и высокая. Сорта остистые и безостые, чаще краснозёрные. Из старых сортов данной группы можно отметить Мильтурум 321, Мильтурум 553, Стрела. Из новых – среднепоздние сорта Омская 9, 18, 28, Эритроспермум 59.

Пшеница твёрдая представлена пятью экологическими группа-ми: степная, закавказская, восточная, украинская и мексиканская ко-роткостебельная.

Изучение культурных растений на основе эколого-географических принципов позволило понять и выяснить роль естественного и искусственного отбора и значение внешних условий в формировании раз-личных экотипов. В соответствии с учением Дарвина эколого-географи-ческая систематика устанавливает, что эволюция культур-ных растений во времени и в различных географических условиях связана с производственной деятельностью человека по отбору и воз-делыванию растений. Н.И. Вавилов предложил схему внутривидовой систематики культурных растений, основанную на эколого-географических принципах (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Схема внутривидовой систематики культурных

растений Н.И. Вавилова

 

В учении Н.И. Вавилова об исходном материале вид растений рассматривается как определённая дискретная, динамическая морфофизиологическая система, дифференцированная на географические и экологические типы. Следовательно, изучение исходного материала в селекции растений необходимо вести на основе дифференцированной эколого-географической систематики видовых систем.

 

3. Признаки и свойства сортов.

 

Постоянно идущий на основе мутаций и скрещивания процесс изменчивости растений создаёт между ними морфологические, физиологические и биохимические различия, которые используются и усиливаются в процессе отбора при создании новых сортов. Сорта качественно, т.е. в существенных чертах, различаются между собой.

Качество сортов проявляется в их признаках и свойствах. Любая форма или сорт растений характеризуются совокупностью многих признаков и свойств (Г.В. Гуляев, Ю.Л. Гужов, 1987).

Признак или свойство – это единица морфологической, физиологической или биохимической дискретности организма. Морфологические особенности строения растений называются признаками.

Признаки у растений определяются путём измерения, взвешивания и глазомерной оценки. К ним относятся высота растений, число и величина листьев, толщина стебля, число междоузлий и побегов кущения у злаков, величина колоса, метёлки, форма клубня, корнеплода, плода, крупность зерна, наличие или отсутствие остей и опушения, плотность колоса или метёлки у злаков, окраска семян и плодов и т. д. Хозяйственная значимость различных признаков неодинакова: одни имеют большее, другие меньшее значение.

Физиологические, биохимические и технологические особенности растений называются свойствами. Физиологические свойства растений – это степень их засухоустойчивости, холодостойкости, зимостойкости, устойчивости к болезням и вредителям. Кроме того, к физиологическим свойствам относят реакцию на условия освещения, отзывчивость на высокий агрофон, в том числе применение удобрений, орошения и т. д. Биохимические свойства определяются количественным и качественным составом различных веществ: белка, крахмала, сахара, жира, эфирных масел, витаминов и алкалоидов. Технологические свойства растений связаны с их промышленной переработкой. Это выход муки из зерна при помоле, объём и пористость выпекаемого из муки хлеба, количество экстрактивных веществ в зерне ячменя, перерабатываемого на пиво, пригодность для консервирования плодов и ягод, технические данные волокна у прядильных культур и т. д.

Основной показатель ценности сорта – его урожайность. Она представляет собой сложное сочетание многих хозяйственно-биологических признаков и свойств растений.

Признаки растений условно делят на две группы: качественные и количественные. С точки зрения математической статистики различия между качественными и количественными признаками состоят в том, что первые группируются, а вторые не группируются в дискретные классы вариационного ряда. Качественными называются такие признаки, различия по которым можно установить непосредственно путём глазомерного определения, например: остистый или безостый колос, голубая или белая окраска цветков, плёнчатое или голое зерно, округлая или овальная форма клубней, полый или выполненный стебель, опушённый или неопушённый лист и т. д. Количественными называются такие признаки, различия по которым нельзя или трудно установить путём глазомерной оценки и для их определения необходимо прибегать к измерению, взвешиванию, подсчёту. К ним относятся число зёрен в колосе и початке, масса клубней и корней, крупность семян, диаметр корзинки у подсолнечника, длина и толщина

стебля и т. д.

Деление признаков на качественные и количественные носит условный характер. Любому качественному признаку можно дать количественную характеристику, но в большинстве случаев достаточная определённость в оценке его достигается глазомерно. Если же глазомерная оценка недостаточна, то различия по качественным признакам устанавливают соответствующей количественной мерой.

Например, при сравнении двух сортов, один из которых безостый, а другой остистый, различия между ними по этому признаку устанавливают глазомерно. Если же сравнивают два остистых сорта, то может возникнуть необходимость дать количественную характеристику этого признака, т. е. указать среднюю длину остей колоса у одного и

у другого сорта. С другой стороны, различия по признакам, которые обычно относятся к количественным, иногда устанавливают глазо-мерно. Так, при оценке некоторых сортов по такому количественному признаку, как высота стебля, ограничиваются определениями: высо-кий, средний, низкий. Устанавливая величину зерна, нередко оцени-вают его как крупное, среднее, мелкое и т. д.

Любой признак или свойство организма в каждом поколении развивается заново на основе одного или нескольких генов во взаимо-действии их с внешней средой. Но так как внешние условия, в которых развивается организм, никогда не бывают постоянными, то один и тот же признак выражается в различных величинах – модификациях. При этом качественные признаки, как правило, контролируются малым числом (1–3) генов. Они обладают большой устойчивостью, развитие их относительно меньше зависит от колебания внешних условий и поэтому носит прерывный характер.

Количественные признаки определяются большим числом генов и в значительной мере подвержены модификациям. Они обладают меньшей устойчивостью, развитие их сильно зависит от колебания внешних условий и поэтому носит непрерывный характер.

Степень изменчивости как качественных, так и количественных признаков растений под влиянием внешних условий различна: одни признаки более изменчивы, другие менее. Селекционеру при изучении внутривидового разнообразия экотипов, форм и сортов необхо-димо хорошо знать и учитывать: 1) степень наследственной изменчивости того или иного признака или свойства у различных форм и сортов; 2) степень изменчивости определённого признака у одного и того же сорта (норму его реакции) под влиянием различных условий вы-ращивания.

Это необходимо для подбора нужных форм при выведении нового сорта, для создания наилучших условий уже выращиваемым сор там и для описания и различия разных сортов друг от друга в процес-се апробации.

Например, у пшеницы существуют наследственно крупнозёрные и мелкозёрные формы. У первых из них средняя масса 1000 семян 50–60 г, у вторых – 20–25 г. При возделывании в одних и тех же условиях такая разница в крупности зерна сохраняется. При низкой агротехнике у крупнозёрной формы масса 1000 семян резко снижается, она может быть почти такой же, как у мелкозёрной формы, т. е. 25–30 г.

У мелкозёрной формы в этих же условиях масса 1000 семян, как правило, снижается незначительно – всего на 2–3 г. Из этого следует, что крупнозёрная форма, представляя большой интерес для селекции, имеет преимущества и может быть использована только в условиях высокого агрофона.

В процессе апробации принадлежность растений к тому или ино-му сорту устанавливают по типичным для него морфологическим признакам – сортовым признакам. Поэтому важно учитывать их из-менчивость в различных условиях выращивания.

Например, такие стойкие признаки, как безостость или окраска остей у некоторых сортов пшеницы, модифицируют под влиянием условий выращивания. При сухой и жаркой погоде после начала ко-лошения у отдельных безостых сортов образуются зачатки остей. При влажной погоде у отдельных остистых сортов, имеющих в обычных условиях чёрную окраску остей, они приобретают белый цвет.

Форма колоса у пшеницы сильно изменяется в зависимости от условий выращивания. Сравнительно более устойчив булавовидный тип колоса. Длина колоса изменяется в зависимости от сорта, района и года возделывания, а также от агротехнических условий. Абсолют-ные величины не постоянны, но относительные различия сортов по данному признаку в условиях одной репродукции в большей или меньшей степени сохраняются.

Плотность колоса, как и признаки, из которых она складывается (длина колоса и число колосков в колосе), довольно изменчива и в сильной степени зависит от условий выращивания. Многие сорта при широкорядном посеве значительно снижают плотность колоса, которая бывает неодинаковой у разных растений и даже на разных стеблях одного куста.

Размеры и форма колосковых чешуй (средней части колоса) сравнительно меньше других признаков изменяются в зависимости от района возделывания и агротехники. Отмечено, что характер и амплитуда изменчивости более или менее постоянны для сорта. Измен-чивость у сортов твёрдой пшеницы сильнее, чем мягкой, а среди последних у среднеазиатских больше, чем у европейских. Установлено, что совокупность факторов, вызывающих уплотнение колоса, обусловливает и соответствующее укорачивание колосковых чешуй.

Форма зерна варьирует, но в крайних своих выражениях признана довольно стойким признаком и часто может служить сортовым отличием.

Таким образом, знание признаков и свойств полевых культур и влияния на них факторов внешней среды облегчает селекционную работу и позволяет правильно описывать и различать сорта.

 

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.