Направления селекции с.х. культур на устойчивость к абиотическим факторам среды И.А. Косарева ГНУ ГНЦ РФ ВИР. - презентация

1 Направления селекции с.х. культур на устойчивость к абиотическим факторам среды И.А. Косарева ГНУ ГНЦ РФ ВИР

2 В сообщении будут освещены методологические подходы в диагностике растений: - на устойчивость к ионной токсичности в зоне корней (высокий уровень почвенной кислотности и засоления) - на засухо- и жароустойчивость - на низкотемпературную устойчивость

3 Максимов Н.А. Физиологические основы засухоустойчивости растений. М.Л Максимов Н.А.Избранные работы по засухоустойчивости и зимостойкости растений.М. Изд. АНСССР Туманов И.И. Физиологические основы зимостойкости культурных растений. М.Л Мошков Б.С. Фотопериодизм растений//Гос.изд.с- х.лит.,журн. и плакатов.М.-Л Разумов В.И. Среда и развитие растений// Гос.изд.с- х.лит.,журн. и плакатов. М.-Л

4 Удовенко Г.В. Солеустойчивость культурных растений. Л:Колос Методическое руководство. Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям. Под ред. Г.В.Удовенко. Л Удовенко Г.В., Гончарова Э.А. Влияние экстремальных условий внешней среды на структуру урожая сельскохозяйственных растений. Л.; Гидрометеоиздат, Кожушко Н.Н. Изучение засухоустойчивости мирового генофонда яровой пшеницы для селекционных целей. (Методические указания) Л.:ВИР Физиологические основы селекции растений. СПб Под ред. Г.В.Удовенко, В.С.Шевелуха. В.В. Полевой, Т.В.Чиркова, И.А. Косарева и др. Практикум по росту и устойчивости растений. Изд. СПбГУ

5 Основные требования при проведении физиологического скрининга использование высококачественного семенного материала (выполненные семена с высокой всхожестью, без каких либо повреждений, одного года и места репродукции) дезинфекция семян перед закладкой опыта соблюдение правил рандомизации при закладке опыта соблюдение методики, изложенной в протоколах использование реактивов с не истекшим сроком годности использование предварительно поверенных и откалиброванных приборов соблюдение биологических и аналитических повторностей при проведении опытов и анализов проведение статистической обработки результатов опытов использование в скрининге сортов-стандартов или классификаторов не допущение использования в анализ растений с признаками проявления болезней и вредителей при использовании химических средств защиты растений проводить учеты или отборы проб только по истечении сроков, указанных в рекомендациях к конкретным препаратам лабораторный скрининг проводить при контроле условий внешней среды используемые методы должны обладать высокой пропускной способностью и воспроизводимостью

6 Скрининг коллекций на устойчивость к неблагоприятным факторам кислых почв

7

8 В МИРЕ КИСЛЫЕ ПОЧВЫ СОСТАВЛЯЮТ НЕ МЕНЕЕ 1,455 МЛН. га ИЛИ 11% ВСЕХ ПЛОЩАДЕЙ (WAMBEKE, 1976). Сейчас эти площади увеличились. СУММАРНЫЙ УЩЕРБ КИСЛЫХ ПОЧВ ДЛЯ С.Х. ПРОДУКЦИИ СОСТАВЛЯЕТ 67% (HAUG, 1983) В РФ: КИСЛЫЕ ПОЧВЫ ЗАНИМАЮТ КАЖДЫЙ 3-й-4-й га ПОЧВЫ (Овчаренко и др., 1993), в связи с этим, ежегодный недобор с.х. продукции в пересчете на зерно составлял на конец 80-х г млн. т. (Шильников, 1989). Генезис кислых почв связан : - со спецификой растительности и подстилающих пород - с типом водного режима - с наличием в почве основных элементов и др. Антропогенные факторы, влияющие на расширение площадей кислых почв: - широкое использование физиологически кислых удобрений (Jonson et al., 1999) - выпадение «кислых» дождей, содержащих нитриты, серную кислоту и др. (Haynes, 1983; Bolan et al., 1991) - отсутствие систематических мероприятий по известкованию

9 МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО СКРИНИНГА ОБРАЗЦОВ НА КИСЛОТОУСТОЙЧИВОСТЬ 1. ВИЗУАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ОКРАСКИ КОРНЕЙ ГЕМАТОКСИЛИНОМ (POLLE ET AL., 1978) 2. РАСЧЕТ ИНДЕКСА ДЛИНЫ КОРНЯ ИЛИ ИНДЕКСА ПРИРОСТА КОРНЯ (ПРЫГУН, 1980; КЛИМАШЕВСКИЙ, 1991) 3. УЧЕТ СПОСОБНОСТИ К ВОССТАНОВЛЕНИЮ РОСТОВОЙ АКТИВНОСТИ КОРНЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЭРИОХРОМЦИАНИНА (ANIOL, 1983)

10 Окрашивание гематоксилином корней растений, подвергнутых алюмострессу Неустойчивый образец Устойчивый образец

11 Окрашивание эриохромцианином корней растений, подвергнутых алюмострессу Неустойчивый образец Устойчивый образец

12 Устойчивость с.-х. культур к алюмотоксичности кислых почв Рожь, люпин синий Тритикале, сераделла Овес Пшеница, кукуруза Ячмень Зернобобовые Бобовые травы

13 СОЯ Влияние подвижного алюминия на длину корней

14 АЛЮМОУСТОЙЧИВОСТЬ ОБРАЗЦОВ СОИ Для диагностики алюмоустойчивости сои получил широкое распространение метод Sartain and Kamprath (1978), основанный на тестировании прироста корневых систем проростков, подвергнутых неблагоприятному воздействию ионов подвижного алюминия. Данный метод был модифицирован по способу выращивания проростков, концентрации алюминия в питательном растворе и критерию диагностики. Для ранжирования образцов был использован индекс длины корня (ИДК), равный отношению средней длины корня в опыте к средней длине корня в контроле (Климашевский, 1988). В качестве высоко устойчивого к алюмотоксичности стандарта использовали польский сорт Brunatna SWHN (к-5774) (Foy et al., 1993).

15 Лабораторный метод оценки алюмоустойчивости сои в культуре питательных растворов Подбор образцов (качественные семена одной репродукции); Обработка семян с целью дезинфекции; Раскладка в растильни или чашки Петри на проклевывание; Промеры корешка проростков; Помещение на стрессорный фон и на контроль; Промер корешков всех вариантов; Расчет индекса длины корня и распределение образцов по группам устойчивости

16 Высоко устойчивыми к алюмотоксичности являлись образцы, длина корней которых не снижалась при возрастающих концентрациях Al в питательных растворах. Это: сорт- стандарт Brunatna SWHN (к-5774-St), Maplе Ridge (к-9648), УСХИ-6 (к-9951), Соер 4 (к-9953), Соер (к-10388), ПЭП 18 (к-10655), ПЭП 26 (к-10658), Степная 85 (к-10676), Степная 90 (к ), СибНИИК 15/83 (к-10678).

17 ДОННИК Межвидовая изменчивость алюмотолерантности (корневой и ростковый индексы) ROOT – INDEX SHOOT - INDEX

18 Результаты диагностики указали на межвидовую изменчивость признака алюмотолерантности внутри рода Melilotus Mill. Варьирование индекса длины корня у видов при средней концентрации Al в растворе составило 0,32- 0,96, при высокой концентрации Al – 0,18- 0,57. По средней величине индекса корня и достоверности различий между ними изученные виды были распределены в гомогенные группы варьирования: слабо устойчивые виды – M.sulcatus (0,18), M.hirsutus (0,191), M.indicus (0,285); средне устойчивые – M.dentatus (0,324), M.albus (0,345) и высоко устойчивые – M.officinalis (0,391), Melilotus sp. (0,394), M.suavolensis (0,567), M.altissimus (0,570). Наиболее высокую алюмотолерантность проявили образцы донника желтого (к-32834, Канада, к-47451, Краснодарский кр.), донника душистого (к-40839, Якутия, к , Читинская обл.), донника белого (к-47460, к-47463, Ростовская обл., к-48731, Украина). Они могут представлять интерес для селекции на адаптивность в условиях кислых почв.

19 Скрининг генофонда на солеустойчивость

20

21 Диагностические критерии при изучении солеустойчивости (Munns R., Richard J., 2003) ПРИЗНАКНеобходимость контроля Особенности теста Эффект засоления (осмотический или солевой) Срок засоления, неделя Методы скрининга среднем уровне засоления Рост и продуктив- ность Удлинение корня +Могут использоваться проростки Осмотический1 Удлинение листа+Не разрушающийОсмотический2 Биомасса+Полевой опытОба4 Урожай+Полевой опытОба16 Измерение поврежде- ния Выход электролитов из листовой ткани - Не разрушающийОтдельные или оба3-4 Содержание хлорофилла -Не разрушающий и быстрый Отдельные или оба3-4 Флюоресценция хлорофилла -Не разрушающий и быстрый Отдельные или оба3-4 Специфи- ческие характерис- тики Исключение Na + -Не разрушающийСпецифический эффект засоления 1-2 Отношение K + /Na + - Не разрушающийСпецифический эффект засоления 1-2 Исключение Cl - -Не разрушающийСпецифический эффект засоления 1-2 Методы скрининга при высоком уровне засоления Прорастание+Большие наборы образцов Осмотический1 Выживание _ Ограниченный период эксперимента Отдельные или оба2-8

22 Методические указания по определению солеустойчивости зерновых бобовых культур по прорастанию и выживаемости семян в солевых растворах. (Составитель: Г.В. Давыдова, ВИР.Л.,1979).

23 Скрининг яровой пшеницы на солеустойчивость

24 Результаты оценки солеустойчивости образцов мягкой яровой пшеницы тестом «Na exclusion» ОбразцыСодержание Na в 3-м листе, мг/г сух. м. Количество образцов с содержанием Na менее 3 мг/г сух.м. Изучено образцов, шт. (min– max)среднее шт.% Засолен- ных террито- рий 1, ,465, «Коро- вого» набора 1,57 – 51,2610,

25 Скрининг генофонда на низкотемпературную устойчивость

26 Холодостойкость – устойчивость к низким положительным температурам Морозостойкость – устойчивость к отрицательным температурам Зимостойкость – комплексная устойчивость к неблагоприятным факторам перезимовки (мороз, выпревание, вымокание, ледяная корка, выпирание, зимняя засуха и др.)

27 Прямые полевые методы оценки на холодостойкость Сверхранний посев (сопоставление со стандартами) Сочетание обычного и сверхраннего посевов Ранний посев (использование укрывного материала) Учитывают: энергию прорастения семян, полевую всхожесть, скорость появления всходов, сухую массу проростков, реакцию на возвратные холода, особенности роста, прохождение основных фаз органогенеза и продуктивность растений

28 Прямые лабораторные методы Учет способности семян к набуханию (посевные ящики, холодильные камеры, взвешивание семян, об устойчивости судят по количеству поглощенной воды) Холодное проращивание семян (ч. Петри, рулоны, песок). Диагностические критерии: количество и скорость прорастания семян и сухая масса проростков в условиях пониженных температур Ростовая реакция корней (учет изменения скорости роста корня) Охлаждение целых растений на различных фазах онтогенеза (основан на использовании фитотронных комплексов.трудоемок, но высоко объективен) Пыльцевой метод (учет всхожести пыльцевых зерен на оптимальном и экстремальном темп. фонах)

29 РУЛОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХОЛОДОУСТОЙЧИВОСТИ ФАСОЛИ Стерилизованные семена фасоли раскладываются по 15 шт. на фильтровальную бумагу, закручивают в рулоны. Рулоны расставляли в стеклянную посуду объёмом 0,5л, в которую заливали дистиллированную воду с добавлением нистатина. Контроль: 3 рулона каждого образца выдерживали в термостате в течение 10 сут. при температуре +21°С. Опыт: 4 рулона соответствующих образцов выдерживали 10 сут. при температуре +13°С.

30 Полевые опыты по холодоустойчивости фасоли Посевы проводили на две недели раньше срока, учитывали количество и динамику всходов, прохождение фаз онтогенеза между провокационными посевами и посевами в оптимальный срок, сравнивали продуктивность. Динамика появления всходов в провокационных посевах

31 МОРОЗОСТОЙКОСТЬ Прямые методы: Метод промораживания в посевных ящиках (закаливание в естественных условиях, промораживание в холодильных камерах, оттаивание, отрастание). Учитывают процент выживших растений, темпы отрастания корней, уровень повреждения листьев разных ярусов. Метод стеллажей – одна из форм применения провокационного фона. Различают наземные (20-25 см) и приподнятые (60 см), бетонные или кирпичные стеллажи. Площадь под один образец – 0,15 кв. м. Лабораторно-полевой метод монолитов (на типичных участках поля в разные сроки зимнего периода вырубают монолиты длиной см, шириной см и высотой см. Оттаивание при темп. 4-6 гр., отращивание при гр. 2-3 недели, учет выживших растений.

32 Метод пучков (после закаливания растения освобождают от почвы и связывают по растений). Пучки промораживают в соотв. с целями или сразу после закаливания или в течение зимы (пучки прикапывают в землю в ящиках и хранят под снегом до сроков промораживания. Метод проростков (включает проращивание, закаливание, промораживание, оттаивание в специальных растильнях, помещенных в морозильную камеру, затем отрастание в условиях теплицы). В ВИР разработаны режимы закаливания и промораживания для многих культур. Учитывают: число выживших проростков, биомассу, критическую температуру сорта, при которой выживает 50% растений.

33 Косвенные методы Биохимические (содержание связ. воды, пролин, хлорофилл и др.) Биофизические (сверхслабое свечение, производная спектроскопия, флуоресценция)

34 Методы оценки холодостойкости зернобобовых 1.В рулонной культуре (Кияшко, 1993); 2.В пластиковых кюветах (70х35х8 см) на «гармошках» из фильтровальной бумаги (Алексеева, Буданова, 1985); 3.Сосуды с вермикулитом (Austin, Maclean, 1972); 4.В специальных кюветах-растильнях (Барашкова и др.,1975) и камерах для промораживания растений методом закаливания (Самыгин, 1967); 5.Сверхранний и ранний посев в сравнении с оптимальным (Лаптев с соавт.,1966); прямые лабораторные методы первичной оценки холодостойкости зернобобовых, основанные на определении скорости «физиологического» прорастания семян, роста корешков, числа выживших проростков при температурах близких к нижнему пределу для роста растений той или иной культуры. Температуры и сроки подбирают, исходя из холодостойкости культуры и изучаемого набора образцов. Сорта и стандарты или классификаторы подбирают по литературным данным. Часто для этой цели используют местные районированные холодостойкие сорта.

35 Режимы лабораторного скрининга зернобобовых культур на холодостойкость в период прорастания семян КультураТемпература «холодного проращивания» Сроки«холодного проращивания» Субстрат Фасоль+12,5º С 40 сутВермикулит Фасоль+13,0º С 10 сут«Гармошки» Соя+5,0º СРулон Люпинпроращивание при+15º С закаливание при +2º С стресс при -2-6º С отращивание в теплице до длины корешка равного длине семени 7 сут 3 сут 5 сут Фильтровальн ая бумага в спец. растильне

36 Математическая обработка результатов Состоит из трех этапов: 1. Определение процента выживших растений; 2. Определение размаха доверительного интервала; 3. Определение границ доверительного интервала и достоверности различий между образцами Методические указания ВИР по математической обработке данных при оценке устойчивости растений к экстремальным условиям (морозу, засухе, засолению и др. с применением вспомогательных таблиц. Сост. Барашкова Э.А. и др., 1972.

37 ЛАБОРАТОРНАЯ ОЦЕНКА ОБРАЗЦОВ СОИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К НИЗКОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ Диагностическими критериями устойчивости к холоду на этапе раннего роста растений сои являлись: всхожесть семян; ростовая активность корней, оцениваемая по длине зародышевого корешка проростков, росших при +5 ºС в течение 30 суток. Контрольное проращивание: при + 23 ºС в течение 7 суток

38 Группировка образцов по проценту проросших семян I группа – высоко холодостойкие (проросло более 70 %), II группа – средне устойчивые (>50-70 %), III группа – устойчивость ниже средней (30-50%), IV группа – не устойчивые (< 30 %).

39 Источники холодостойкости сои Сорта, выделившиеся по показателям всхожести и по интенсивности роста корней: Светлая (к-9960), Соер 4 (к-9953), Степная 85 (к-10676), Major (к-9922), СибНИИК 15/83 (к-10678), Белор (к- 9587)

40 Скрининг генофонда на засухо- и жароустойчивость

41 Засухоустойчивость – способность растений за счет тех или иных признаков или свойств давать хозяйственно-ценный урожай при засухе, а степень засухоустойчивости - процент снижения продуктивности при переходе к выращиванию в этих условиях. Способность противостоять засухе всегда складывается из комбинации собственно физиологической устойчивости и особенностей строения, а также способности или возможности того или иного сорта сочетать наилучшим образом ритм жизненных процессов с ходом агроклиматических факторов (Левитт, 1958).

42 По интенсивности типы засух подразделяются на: - очень сильная (сумма осадков в период всходы-колошение до 18 мм, снижение урожая более чем на 50%) -сильная (до 30-50мм, снижение на 20-50%) - средняя (осадков более 35 мм, снижение урожая менее 20%) По форме проявления: - почвенная - атмосферная -смешанная

43 Пути повышения продуктивности в регионах с недостаточным увлажнением (Вавилов Н.И., 1935): Введение в культуру диких родичей с высокой засухоустойчивостью Вовлечение в скрещивания лучших засухоустойчивых сортов мировой и отечественной селекции Изучение физиологической природы засухоустойчивых сортов и использование этих данных в селекционных программах Использование в скрещиваниях скороспелых сортов (избегание сухих ветров, запалов и др.) Сочетание признаков засухо- и жаростойкости с продуктивностью Выведение засухоустойчивых и урожайных сортов возможно путем объединения генов продуктивности и устойчивости к неблагоприятным местным условиям. Успех работы м.б. обеспечен при большом объеме гибридизационных работ и широком отборе засухоустойчивых форм. Для скрещиваний следует привлекать разнообразный генетический материал, сосредоточенный в мировой коллекции ВИР (Дубинин Н.П., 1973).

44 На первом этапе селекционного процесса решающую роль в создании устойчивых к засухе и высоким температурам популяций играет тщательный подбор исходного материала. Система изучения мирового генофонда на засухоустойчивость должна складываться из: -массовой проработки мировых коллекций с точки зрения выяснения особенностей засухоустойчивости образцов различного эколого-географического происхождения; конечный результат этой работы – представление о том, среди образцов какой видовой и экологической принадлежности целесообразно искать нужный механизм засухоустойчивости; -зонального испытания перспективных образцов мирового генофонда с использованием наиболее значимых для конкретных условий физиологических признаков и параллельным анализом их продуктивности. Данному этапу д. предшествовать работа по выявлению на лучших сортах местной селекции тех физиологических признаков, которые в большей степени влияют на продуктивность. -работа д. завершаться выделением генетических источников высокой засухоустойчивости и высокой «засухоурожайности», которые составят основу исходного материала для селекции в каждой зоне. Эффективность работы можно повысить, испытывая однотипный набор образцов в нескольких зонах, где значимы одни и те же физиологические признаки засухоустойчивости. Выделенные таким образом формы, отличающиеся наименьшей изменчивостью и достаточно высоким уровнем засухоустойчивости и продуктивности, можно считать потенциальными донорами засухоустойчивости. Цит. по Н.Н.Кожушко (1991)

45 Физиологические показатели засухоустойчивости Способность зародыша начать рост Оценивают, проращивая семена на растворах осмотиков. Зависит от степени ингибирования амилазной и инвертазной активности при водном дефиците, а также от белкового синтеза и клеточного растяжения и деления (Malik C.P. et al., 1986). Ростовая реакция проростков на засуху Учитывают линейные параметры и (или) сухую массу проростков при выращивании их при оптимуме и дефиците влаги. Используют осмотики или прямое подсушивание проростков. Всхожесть семян и выживаемость проростков после прогрева (Кумаков В.А. и др., 1982). Характеризует жаростойкость. Различия между сортами определяются различиями в термостабильности белковых компонентов, зародыша семени, его ферментных систем. Водоудерживающая способность растительных тканей. Важнейший интегральный показатель водного режима, отражает адаптивный метаболизм и определяет устойчивость растений к водному стрессу. Наиболее просто учитывается способом завядания растений или отдельных органов. Проницаемость клеточных мембран для электролитов. Важнейший адаптационный признак. Характеризует засухо- и термостабильность клеточных мембран. Образование свободного пролина. Механизм биохимической адаптации. Св. пролин - осморегулятор, поддерживающий высокую гидратацию биополимеров.

46 Морфофизиологические признаки пшеницы, используемые для полевой оценки физиологического состояния растений при засухе Восковой налет обеспечивает большее отражение в инфракрасной части спектра и защищает листья от перегрева. Учитывается визуально по 5 - балльной шкале. Размеры ассимиляционного аппарата. Определяет уровень фотосинтетической продуктивности. Интенсивность зеленой окраски. Характеризует устойчивость различных пигментов к недостатку влаги, высокой температуре, интенсивности инсоляции. Наличие остей. На пшенице установлено, что многочисленные устьица на остях способствуют защите от перегрева. Степень потери тургора Удельная поверхностная плотность флаг-листа (сухая масса единицы площади, косвенно характеризует фотосинтез) Сухая фитомасса флаг-листа Длина верхнего междоузлия Диаметр стебля под колосом (характеризует развитие проводящей ткани в стебле)

47 Режимы при определении жаро- и засухоустойчивости образцов зернобобовых культур способом проращивания семян в растворах осмотика и после прогревания (Волкова А.М. и др., 1980,1984) КультураТ прогре- вания семян, º С Срок прогрева Осмотическое давление стрессорного р-ра, ат Срок действия осмотика, сут Субстрат Фасоль 44;466 час Фильтровальная бумага в растильнях Соя6 Горох6 Бобы Люпин4 Чечевица 5820 мин Чина Нут 5820 мин

48 Спасибо за внимание