Способ селекции риса на основе мужски стерильных линий и сложногибридных популяций

(51) 01 1/04 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ как смесь нескольких простых гибридов 2 или сложногибридная популяция (СГП), в которой 25 растений мужски стерильны и свободно ветроопыляются фертильными полусибсами. Новое потомство высевается отдельно и дает в 1 уже более сложные гибриды, расщепляющиеся при пересеве 2 на фертильные и стерильные формы,снова скрещивающиеся между собой (второй цикл скрещиваний) и формирующие новые рекомбинации с еще более сложной генеалогией. Далее сходным образом создаются популяции последующих циклов, в потомстве которых в результате поликросса постоянно возрастает концентрация нужных генов. Обязателен при данном способе периодический отбор (рекуррентная селекция) на продуктивность - регулярная ежегодная браковка и отбор на пересев семян лучших по числу колосков и плотности метелки растений как стерильных, так и фертильных. Способ селекции на основе мультигибридных популяций,одновременно являющихся и источниками новых гибридов, и исходным материалом отбора генотипов непосредственно для селекционного изучения, позволяет многократно повысить эффективность скрещиваний, увеличить число генных рекомбинаций,ускорить селекционный процесс выведения сортов сельскохозяйственных культур, в частности, риса.(54) СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ РИСА НА ОСНОВЕ МУЖСКИ СТЕРИЛЬНЫХ ЛИНИЙ И СЛОЖНОГИБРИДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ(57) Изобретение относится к сельскому хозяйству,в частности, к синтетической селекции зерновых культур и предназначено для создания сортов с комплексом признаков и свойств, интеграция которых традиционными способами скрещиваний затруднена. Способ включает гибридизацию многих родительских форм с общими источниками рецессивных генетических систем стерильности(ГМС, ТГМС, ЦМС) по схеме полных топкроссов,браковку в 1 линий с низкой общей комбинационной способностью (ОКС) по числу колосков на метелке, объединение в одну партию семян выделившихся по ОКС простых 1 и посев 21510 Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к синтетической селекции зерновых культур и предназначено для создания сортов с комплексом признаков и свойств, интеграция которых традиционными способами скрещиваний затруднена. Изобретение базируется на использовании ауткроссинга мужски стерильных линий (ГМС,ТГМС, ЦМС), поликросса и периодического отбора в условиях провокационных фонов. Известен способ селекции риса на основе ГМС с целью повышения результативности скрещиваний Сингильдин Г.А., Сметанин А.П., Дзюба В.А. Генная мужская стерильность у риса // Труды ВИИ риса. - 1976. - т.4. -с. 8-11. Однако растения ГМС используются однократно, лишь в процессе исходной гибридизации,а впоследствии выбраковываются. Также с целью только повышения процента завязываемости гибридных зерновок используется рецессивная ЦМС у сорго Дремлюк П.К. Способ селекции сорго на основе ЦМС и гибридных популяций. - А.С. СССР, 651758, Кл. А 01 Н 1/04,1984. В селекции пшеницы внедрение периодического отбора стало возможным благодаря обнаружению доминантного гена мужской стерильности,К.,.//. .05, 1. - . 1-25. Разработаны схемы его использования, имеющие свои особенности и недостатки, к которым относятся-возможность браковки растений с нежелательными признаками лишь до цветения, что ограничивает работу селекционера-отцовской формой служат растений 1, что не дает полного представления о свойствах генотипа и в опылении участвуют разнокачественные гаметы. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ рекуррентной селекции на основе генетической мужской стерильности для повышения устойчивости растений риса к болезням,, -//. - 1996. -21, 1. . 28-29,включающий исходное ручное скрещивание мужски-стерильной линиис донорами устойчивости к пирикуляриозу носителями неаллельных доминантных генов к различным расам заболевания. Из второго поколения 2 отбирались семена со стерильных растений,завязавшиеся после свободного ауткроссинга. В каждом цикле поликросса растения анализировались на устойчивость на естественном фоне заражения. После пятого цикла случайных скрещиваний отобраны потомства фертильных растений,высеяны методом педигри на искусственном инфекционном фоне и выделены 568 устойчивых линий,85 которых имели устойчивость, полученную через . 2 Основными недостатками данного метода являются-Не системность скрещиваний, не позволяющая оценивать комбинационную способность линий.-Периодический отбор направлен на улучшение только биотической устойчивости путем пирамидирования генов одного признака, а не на объединение комплекса желательных признаков.-Устойчивость к болезням у риса контролируется материнским наследованием, вследствие чего в первых трех циклах отбираются потомства только стерильных растений. Поэтому метод не решает проблему генотипической эрозии, т.к. большая часть линий синтезируется через один источник стерильности. Задачей изобретения является разработка способа селекционного решения проблемы благоприятной наследственной интеграции наиболее важных, хозяйственно-ценных признаков в новых генотипах. Данное изобретение основано на применении ауткроссинга мужски стерильных линий, топкросса, поликросса, периодического отбора,объединяет методологии селекции перекрестнои самоопыляющихся культур,использует методы генетического анализа,формообразующее воздействие среды, естественный и искусственный отбор, что позволяет значительно повысить эффективность создания новых линий с комплексом желательных признаков. Поставленная задача решается применением модифицированного метода создания исходного материала. Техническими результатами изобретения являются- снижение до минимума риска унификации(геноэрозии) будущих сортовых ресурсов риса за счет многократного генетического усложнения второго гибридного поколения опылением разными отцовскими формами в сложногибридных популяциях-усиление генетического эффекта на повышение потенциала продуктивности путем использование эколого-географически отдаленных сортов и элементов периодического отбора, что связано с суммирующим действием многих полигенов,локализованных в разных хромосомных локусах,сцепленных в фазе отталкивания-лучшая инкорпорации генов филогенетически отдаленных форм подвидов риса индика и японика,наследственная интеграция которых простыми парными скрещиваниями часто осложнена высокой стерильностью гибридов 1 и последующих генераций-возможность использования сложно-гибридных популяций неограниченно долгое время при искусственном поддержании гетерозиготности по локусам мужской стерильности-в состав сложногибридных популяций в случае необходимости можно легко ввести дополнительные компоненты по мере скрининга новых геноисточников-сочетание высокой потенциальной урожайности и абиотической устойчивости в одном сорте, путем чередования отбора в условиях провокационного фона(для лучшего проявления признака адаптивности) и оптимальной агротехники (для максимального проявления продуктивности) снижение трудоемкости,повышение эффективности скрещиваний, увеличение число генных рекомбинаций, ускорение селекционного процесса выведения сортов сельскохозяйственных культур,в частности,риса,с высокой продуктивностью и устойчивостью к абиотическим факторам внешней среды. Указанные технические результаты достигаются тем, что первоначально исходные родительские сорта (Б, В, Г, Д, Е и т.д.), каждый из которых характеризуется наличием какого-либо нужного комплекса наследственных факторов (интенсивность начального роста,толерантность к неблагоприятным абиотическим и биотическим стрессам на ранних стадиях развития, морфотип растения,высокая продуктивность метелки,качество зерна, скороспелость и т.д.) скрещиваются по схеме полных топкроссов с общими источниками стерильности (1, 2, 3) (фиг.). Стерильные линии созданы на основе лучших районированных сортов и местных наиболее адаптированных селекционных номеров. Полностью фертильные гибриды 1 культивируются в наиболее благоприятных условиях,способствующих достижению их максимальной продуктивности. Параллельно методом топкросса оценивается ОКС родителей, и отбраковываются популяции с самыми низкими оценками по числу колосков на метелке. Из урожая каждого оставленного гибрида отбирается одинаковое количество семян,объединяется в одну партию и после тщательного перемешивания высевается как смесь нескольких простых гибридов 2 (примерно 10-12) или сложногибридная популяция - СГП. При формировании СГП учитываются взаимодополняемость отдельных ее компонентов по каким-либо благоприятным признакам, степень генетического родства, экологогеографическая отдаленность и обязательное присутствие местного стародавнего и современного сортимента. Около 25 растений в 2 таких СГП несут признак мужской стерильности и неограниченно свободно ветроопыляются фертильными сегрегантами. На этом завершается первый цикл скрещиваний. Собранные со стерильных растений первого цикла семена (при необходимости их можно смешивать с гибридными семенами стерильных растений других СГП) высеваются отдельно и дают в потомстве 1 уже более сложные гибриды, которые, расщепляясь при пересеве 2 на фертильные и стерильные формы,снова скрещиваются между собой, формируя новые комбинации с еще более сложной генеалогией. Далее сходным образом создаются популяции последующих циклов в потомстве которых в результате ауткроссинга постоянно возрастает концентрация нужных генов. В практической работе не обязательно ограничивать каждый цикл скрещиваний отбором только в 2, так как выщепление стерильных форм продолжается при пересеве семян фертильного потомства и в последующих генерациях. Использование каждой отдельно взятой СГП заканчивается обычно в 5,когда доля стерильных гомозигот уже значительно снижена (гетерозиготность в локусене более 1/16), а фертильные особи достигли достаточного уровня константности для отбора и изучения элит в селекционном питомнике. Обязательным при использовании данного метода являются периодический отбор - ежегодная браковка и отбор для пересева семян лучших по числу колосков в метелке растений как стерильных,так и фертильных. Таким образом, предлагаемая схема скрещиваний в мультигибридных популяциях, которые одновременно являются и источниками новых рекомбинаций, и исходным материалом отбора генотипов непосредственно для селекционного изучения, позволяет многократно повысить эффективность скрещиваний за счет ауткроссинга и увеличить тем самым число генных рекомбинаций. Характерной особенностью отличается и репродуцирование ранних генераций СГП. После выращивания гибридов 1 в благоприятных условиях, три последующих поколения 2-4 репродуцируются на естественных провокационных фонах - пониженных, наиболее засоленных участках чека с постоянным избыточным затоплением в период прорастания и всходов. Такое чередование способствует повышению в популяциях концентрации высокопродуктивных генотипов с более совершенным гомеостазом развития и хорошо адаптированных к экстремальным условиям среды. Последнее массовое гибридное поколение 5, в котором проводится индивидуальный отбор для оценки в селекционном питомнике, высевается, как и 6 в оптимальных условиях широкорядным (30 см) способом, чтобы иметь возможность оценить потенциальную продуктивность и ее компоненты у отбираемых растений. За 12-15 дней до начала массового цветения полиэтиленовыми флажками отмечаются наиболее рано выметывавшиеся формы, которые убираются отдельно для формирования СГП скороспелых форм. При созревании проводится глазомерная оценка и выбраковка слишком высокорослых,позднеспелых, пораженных болезнями и явно бесперспективных по зерновой продуктивности гибридных растений. С каждого оставшегося фертильного растения отбираются три зерновки для пересева и формирования популяции следующего поколения. Такая методика репродуцирования гибридов позволяет, с одной стороны, поддерживать на достаточно высоком уровне изначальную гетерогенность популяций и одновременно повышать долю генотипов с положительными адаптивными реакциями, а с другой стороны,избежать существенного увеличения площадей для 3 21510 массового пересева и, следовательно, непроизводительных затрат на размножение малоценных форм. В предлагаемом виде способ создания исходного материала, совмещающий в себе методические элементы топкросса, поликросса и периодического отбора, на рисе применяется впервые. Пример В специальном опыте проведен сравнительный анализ селекционной ценности синтезированных разными способами гибридных популяций риса. Объектом исследования являлись простые парные гибриды и созданные на их основе СГП. Сначала были проведены парные скрещивания источников ГМС линии 6 А, 18 А, 19 А с 42 сортами различного эколого-географического происхождения. После анализа ОКС по числу колосков на метелке,оставлено 24 лучших гибрида 6 отцовскими формами которых являлись сорта и коллекционные образцы из Казахстана, России, Узбекистана,Азербайджана, Венгрии, Франции, Китая, Вьетнама,Филиппин, Южной Кореи. Сорта из Юго-Восточной Азии относятся к подвиду индика из Европы и СНГ- к подвиду японика. Российские, европейские сорта и культивары индика отличались высокой продуктивностью метелки казахстанские,узбекистанские и азербайджанские интенсивностью начального роста. На основе 24 гибридов 1 было сформировано 48 СГП,прошедших затем четыре цикла поликросса и периодического отбора по вышеописанной схеме. Селекционная ценность простых парных гибридов и СГП определялась значениями генетикостатистических параметров 2 по двум наиболее важным признакам интенсивности начального роста в солевом раствореи количеству колосков в главной метелке. С практической точки зрения значительно лучшими показателями изменчивости и наследуемости по интенсивности начального роста характеризовались СГП, выделявшиеся более высокими значениями средне популяционной,трансгрессивного расщепления, селекционного дифференциала,ожидаемого генетического прироста (табл.). Таблица. Генетико-статистические параметры 2 простых гибридов (ПГ) и сложногибридных популяций риса Параметры Средняя популяции,вк сорту Маржан Коэффициент генотипической вариации,Коэффициент наследуемости, Н 2 Частота трансгрессий, Тч,Доля трансгрессивных комбинаций 2,Селекционный дифференциал,Генетический сдвиг, прирост,вк сорту Маржан НСР 05 Интенсивность прорастания, см ПГ СГП 17,1 21,7 72 91 46 35 0,86 0,88 1,1 4,9 38 94 3,0 6,8 2,6 6,0 10,9 25,2 2,9 Некоторое снижение генотипической вариации обусловлено однонаправленными внутрипопуляционными сдвигами в сторону улучшения признака. Следует также отметить,что генетический сдвиг, вычислявшийся при 10-ной интенсивности отбора, в простых гибридах в среднем оказался ниже НСР. Математически значимое проявление трансгрессий и генетического сдвига наблюдалось только в комбинациях парных скрещиваний с участием интенсивно прорастающих,солеустойчивых, малопродуктивных стародавних и местных сортов. И лишь в пяти из девяти хиоридов эффективность отбора по этому показателю оказалась статистически существенной. Некоторые статистические параметры количества колосков в главной метелке (средняя популяции, частота трансгрессий, селекционный дифференциал) в СГП несколько ниже, но различия не столь контрастны, как по темпам начального роста. Кроме того, более высокая наследуемость и надежность идентификации генотипа по фенотипу,обеспечивали генетический сдвиг и эффективность отбора практически на таком же уровне, как и в 4 популяциях парных гибридов. Между средними значениями интенсивности начального роста и числа колосков в метелке выявлена отрицательная связь в простых комбинациях (0,67) и отсутствие скоррелированности в сложногибридных (-0,06). Таким образом, предлагаемым способом создания исходного материала оказывается возможным решение проблемы наследственной интеграции в одном генотипе наиболее важных свойств. На основе предлагаемого способа проведено 976 комбинаций скрещиваний, получено более 1 миллиона гибридных семян, проанализировано более 18000 селекционных номеров, создан районированный в 2005 году сорт Арал 202 и перспективные Арал 318, Арал 4, Арал 5, Арал 6. Предлагаемый метод придает селекции четко выраженную адаптивную направленность. Как уже отмечалось, первым этапам онтогенеза риса,несмотря на меньшее число экспрессированных в этот период генов, принадлежит решающая роль в формировании общей адаптации. Выращивание гетерозигот в контрастных условиях предопределяет большую суммарную гетерогенность 21510 расщепляющихся поколений,что позволяет успешнее идентифицировать за фасадом фенотипа нужные генотипы, приспособленные к широкой вариабельности факторов внешней среды. Это, в свою очередь, способствует сохранению в популяции эволюционно сложившихся блоков генов адаптации местных и стародавних сортов и,одновременно,обеспечивает экологическую синхронность создания новых сортов, что очень актуально, учитывая негативно меняющиеся условия Казахстанского Приаралья. Чередуя отбор в условиях провокационного фона (для лучшего проявления признака адаптивности) и оптимальной агротехники (для максимального проявления продуктивности) можно сочетать высокую потенциальную урожайность и абиотическую устойчивость в одном сорте. В целом, учитывая специфику работы с СГП,характеризующуюся сочетанием многократного естественного и искусственного отбора,предлагаемый способ в максимальной степени соответствует определению селекции Н.И.Вавиловым как эволюции, направляемой волей человека. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ селекции риса на основе мужски стерильных линий и сложногибридных популяций, включающий подбор исходных родительских форм, парную гибридизацию ауткроссингом мужски стерильных линий, формирование из расщепляющихся потомств сложногибридных популяций,поликросс и периодический массовый отбор в условиях негативного естественного провокационного фона в 2-4, а в 5 индивидуальный отбор метелок с высокой плотностью и озерненностью, отличающийся тем, что дополнение методов селекции самоопылителя риса элементами селекционной методологии перекрестноопыляющихся культур(поликросс,периодический отбор) осуществляется с обязательным учетом комбинационной способности компонентов сложногибридных популяций по продуктивности метелки растения.