§ 4. Химический мутагенез в селекции сорго

В последние годы ученых привлекает использование методов химического мутагенеза, обусловливающих наследственную изменчивость. В стране накоплен богатый материал, представляющий большой интерес для генетических и селекционных исследований.

В работе с химическими мутагенами мы ставили задачу накопить экспериментальные данные по изменчивости сортов и гибридов сорго и выявить полезные формы для использования в селекционных целях. В качестве мутагенов использовали: N-нитрозометилмочевину (НММ) в концентрации 0,012 и 0,025%; N-нитрозоэтилмочевину (НЭМ) в концентрации 0,025 и 0,05%; 0,01 и 0,02%-ный этиленимин (ЭИ), а также 0,016 и 0,025%-ный диметилсульфат (ДМС).

Исходным материалом служили раннеспелая линия зернового сорго Коричневозерное 481 Ф и ее стерильный аналог Коричневозер-ное 481 С, среднеспелый гибрид зернового сорго Степной 5, раннеспелый гибрид силосного сорго Сивашский 5 и его отцовский компонент - сорт сахарного сорго Приазовский 1, позднеспелый гибрид силосного сорго Сивашский 50 и его отцовский компонент - сорт двойного использования Сарваши, а также сорго-суданковый гибрид Херсонский 10. В 1971 г. семена растений обрабатывали мутагенами в Институте химической физики АН СССР с экспозицией 18 ч, затем промывали в проточной воде и просушивали. Контрольные семена замачивали в воде и также просушивали. Весной весь семенной материал высевали в почву.

В питомнике индуцированных мутаций изучали влияние химических мутагенов на полевую всхожесть, выживаемость, высоту растений, вегетационный период, размеры листа и метелки.

Семена в М₁ в 1971 г. высевали на трехрядковых делянках по 60 растений в каждой, а в последующие годы - на однорядковых делянках по 30. В каждом варианте опыта самоопыляли 20-25 метелок, затем каждую из них обмолачивали отдельно и в последующие годы высевали семьями. Наблюдения, учеты, промеры и индивидуальный отбор проводили ежегодно с М₁ до М₅.

В литературе существует мнение, что гибриды более устойчивы к воздействию мутагенов, чем сорта. В связи с этим мы изучали, как воздействовали различные химические мутагены разных концентраций на гибриды силосного сорго - раннеспелый Сивашский 5, позднеспелый Сивашский 50 - в М₁, при проявлении наибольшего гетерозиса, в М₂, когда происходит наибольшее расщепление, и в М₅, когда формы константны, а также на их отцовские компоненты.

Действие различных мутагенов оценивали депрессией в развитии величины каждого признака, которую определяли путем вычисления процентного отношения разницы между обработанными и контрольными вариантами.

Одно из важных направлений в изучении мутабильности организмов - получение у гибридов ценных и пригодных для селекционных целей мутаций. В связи с этим мы и включили в изучение гибриды зернового, силосного сорго и сорго-суданковый гибрид.

Химические мутагены оказали различные воздействия на сорго в зависимости от сорта, мутагена и его концентрации. Особенно в М₁ они значительно повлияли на полевую всхожесть и выживаемость растений.

Существенное влияние на снижение полевой всхожести у всех сортов и гибридов сорго оказал НММ в концентрациях 0,025 и 0,012%. Другие мутагены воздействовали на всхожесть по-разному в зависимости от сорта. Так, мутаген ЭИ в концентрации 0,01% оказал стимулирующее действие на линию Коричневозерное 481 Ф, повысив всхожесть семян на 19%, а 0,05%-я НЭМ - на гибрид силосного сорго Сивашский 5, всхожесть которого поднялась на 7%. ЭИ в концентрации 0,01% оказал наименьшее угнетающее действие на всхожесть почти всех образцов.

Почти так же, но с еще большей силой действовали мутагены на выживаемость растений. Однако если мутаген НММ в концентрации 0,012% влиял на полевую всхожесть меньше, чем в 0,025%-й концентрации, то на выживаемость растений всех сортов 0,012%-я НММ оказала наиболее угнетающее действие, а линии Коричневозерное 481 С и гибрида Степной 5 она привела к летальному исходу. Аналогичное влияние оказал мутаген ЭИ в концентрации 0,02% на гибрид Степной 5. Мутаген НЭМ стимулирующе воздействовал и на выживаемость гибрида Сивашский 5- на 10% в концентрации 0,05% и на 3%- в концентрации 0,025%.

По сравнению с контролем всходы сорго в М, у образцов, обработанных мутагенами, задерживались на два-три дня, а в вариантах, обработанных 0,025%-й НММ, у линии Коричневозерное 481 Ф на 5, у сорта Приазовский 1 - на 6, Сивашский 5 - на 10, Херсонский 10 - на 11, Сарваши - на 12 дней.

Наши исследования показали, что воздействие химическими мутагенами способствуют возникновению в М( хлорофилльных мутаций типа viridis (светло-зеленые), а также chlorina (белесовато-зеленые) и albina (совершенно белые). Последние две хлорофилльные мутации отмечались в основном у сорта Приазовский 1 от НММ 0,012 и 0,025%-й концентрации. Там же появились и морфологические мутации с укороченным стеблем (низкорослые).

При воздействии мутагенов, особенно 0,012%-й и 0,025%-й НММ, а также 0,025%-й НЭМ, у всех изучаемых сортов и гибридов (за исключением сорта Сарваши) в М, наблюдалась высокая стерильность метелок, а у гибрида Сивашский 5 все изолированные метелки имели 100%-ю стерильность. Стерильность у растений в М, одни исследователи рассматривают как результат структурных нарушений хромосом, другие предполагают, что проявление ее обусловлено не столько хромосомными перестройками, сколько генными мутациями (М. Sato, H. Gaul, 1967).

При изучении устойчивости образцов к химическим мутагенам установлена зависимость мутагенной депрессии некоторых морфологических признаков у гибридов и отцовских компонентов. Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что гетерозисные гибриды Сивашский 5 и Сивашский 50 в М, оказались более чувствительными к действию препаратов, чем их отцовские компоненты - сорта Приазовский 1 и Сарваши.

Таблица 3. Мутационная депрессия в развитии морфологических признаков у сорго различного происхождения в М₁, М₂, М₅ (% от контроля)

Особенно значительная мутагенная депрессия почти по всем признакам наблюдалась у гибридов под действием НММ в концентрации 0,012 и 0,025%. Наибольшей она была в отношении высоты растений, длины листа и числа надземных узлов.

В М2 по сравнению с отцовской формой Приазовский 1 у гибрида Сивашский 5 высота главного стебля оказалась меньше под действием 0,01%-го ЭИ на 19% и от 0,02%-го ЭИ- на 7,5%, от ДМС в концентрации 0,025% - на 41,4%; ширина листа от ЭИ в концентрации 0,01%-й на 8,9%, от 0,02%-го ЭИ - на 25%, от НЭМ в концентрации 0,025%- на 10,6%, от 0,05%-й НЭМ- на 9,4%. То же имеет место и по отношению к вегетационному периоду. По сравнению с отцовской формой Сарваши у гибрида Сивашский 50 длина метелки оказалась меньше под действием мутагена ДМС в 0,025%-й концентрации на 16,1%, НЭМ 0,05%-й - на 22%, НММ 0,012 и 0,025%-й - соответственно на 12,1 и 13,8%; депрессия длины листа от действия НММ 0,025%-й концентрации равнялась 15,6%.

Изучение мутационной депрессии по тем же морфобиологическим признакам в пятом поколении (см. табл. 3) показало, что она связана с продолжительностью самоопыления. У большинства сортов и гибридов сорго но мере увеличения числа поколений инцухта мутационная депрессия увеличивается в основном по всем признакам.

Во втором поколении, когда происходит наибольшее расщепление морфологических признаков, выявляли частоту мутаций. Из таблицы 4 видно, что все мутагены обладали высокой активностью.

Таблица 4. Частота мутаций в М₂ различных сортов и гибридов сорго в результате воздействия химическими мутагенами (% к числу изучаемых признаков)

При изучении отдельных образцов сорго выяснилось, что гибриды превосходят свои отцовские формы по выходу мутаций под действием изучаемых мутагенов. При этом наиболее перспективные формы получены также у гибридов. Мутанты мы выделяли не только в М₂. Более ценные в селекционном отношении выявлены в М₃ и М₄.

В третьем поколении были высеяны как мутантные, так и неизмененные растения. Мутантные формы, отобранные во втором и последующих поколениях, были достаточно константными.

В наших опытах от действия всех изучаемых мутагенов были получены полезные формы. Однако наибольшее количество их с нужными селекционными признаками возникало от НЭМ в концентрации 0,025 и 0,05% и НММ в концентрации 0,016 и 0,025%.

По мутабильности наиболее перспективными были сорт Приазовский 1, линия Коричневозерное 481, гибриды Сивашский 5 и Степной 5, наименее интересным оказался сорт Сарваши.

Путем ежегодного индивидуального отбора и инцухтирования нами выделены в пятом поколении (по сорту Приазовский 1 - в четвертом) наиболее перспективные константные по всем признакам мутантные подлинии в каждом образце.

Так, из линии Коричневозерное 481 почти все мутагены (за исключением ДМС) индуцировали много подлиний, характеризующихся низкорослостью, карликовостью, ветроустойчивостью и большой длиной вегетационного периода. Практический интерес представляют подлиний 991, 992, индуцированные от НЭМ в 0,05%-й концентрации, которые обладают карликовостью и ветроустойчивостью, а подлиний 9 и 11, полученные от ДМС в 0,016%-й концентрации, удлинили вегетационный период. Из этой линии выделена в М₅ 21 подлиния.

Из сорта Сарваши ЭИ и НММ индуцировали низкорослые и карликовые подлиний, тогда как ДМС стимулирующе действовал на высоту, несколько увеличивая ее. Практическую значимость представляют подлиний 36, 37, 38, 39, 40, которые созданы от действия НММ в 0,025%-й концентрации. Всего по этому сорту выделено 28 мутантных подлиний.

Из сорта Приазовский 1 мутаген НЭМ индуцировал низкорослые и карликовые подлиний, а НММ вызвал гигантизм. Особенно пониженным ростом отличались подлиний 919, 920, полученные от НЭМ в 0,05%-й концентрации, у которых уменьшены все морфолигоические признаки, а вегетационный период увеличился на 3-13 дней. Высокорослые подлиний 921 и 925, созданные от 0,012%-й НММ, оказались выше контроля на 26-56 см и удлинили вегетационный период на 19-23 дня. Они уже включены в селекционный процесс. Из этого сорта выделено 15 подлиний.

У гибрида Степной 5 и М5 ЭИ в 0,01%-ной концентрации оказал стимулирующее действие на высоту растений. Практический интерес представляют подлиний 80 и 83, обладающие низкорослостью и раннеспелостью, которые включены в гибридизацию как отцовские компоненты гибридов зернового сорго. Из этого образца выделено 11 мутантных подлиний.

Из гибрида Сивашский 5 почти все мутагены, за исключением ДМС в концентрации 0,016%, индуцировали в М₅ низкорослые и карликовые подлиний, характеризующиеся в основном скороспелостью (на 13-14 дней в сравнении с контролем). Для селекционных целей особый интерес представляют подлиний 24, 27 и 28, имеющие повышенный рост и удлиненный на 9 дней вегетационный период. Из этого образца выделено 11 мутантных подлиний.

У гибрида Сивашский 50 0,01%-й ЭИ, 0,012%-я НММ и у большинства подлиний 0,025%-й ДМС индуцировали в сравнении с контролем низкорослые формы. Из них селекционный интерес представляют подлиний 87 и 88. Подлиний, индуцированные НЭМ в 0,025%-й концентрации, проявляя высокорослость, отличаются хорошей продуктивностью, а 66, 67 и 71 представляют особую значимость для непосредственного внедрения в производство. От гибрида Сивашский 50 отобрано 20 мутантных подлиний.

По гибриду Херсонский 10 все подлиний, полученные от ДМС в 0,025%-й и от НЭМ в 0,025%-й концентрации, проявили значительную высокорослость и некоторую удлиненность вегетационного периода. Всего выделено пять мутанных подлиний.

Биохимическая оценка мутантных форм показала, что почти у всех увеличено содержание протеина и лизина. По трехлетним данным, линии зернового сорго Коричневозерное 481, гибрид зернового сорго Степной 5 и кормовой сорт Сарваши обнаружили наибольшую мутабильность под влиянием НЭМ, ЭИ и ДМС. В сравнении с контролем содержание белка увеличилось на 2-12%, лизина в муке - на 1-14 и лизина в белке на 1-11%. Следовательно, химический мутагенез дает возможность выделить формы с повышенным количеством и качеством белка (рис. 4).

Рис. 4. Действие химических мутагенов на концентрацию белка и лизина в зерне сорго (среднее за 1972-1974 гг., %): 1 - Коричневозерное 481, 2 - Сарваши, 3 - Степной 5

По наиболее продуктивным мутанным формам в М₅ проведен учет урожая. Данные таблицы 5 показывают, что по зерновому сорго из линии Коричневозерное 481 наиболее продуктивной оказалась подлиния 7, индуцированная мутагеном ДМС 0,025%-й концентрации. Она превосходила контроль по сбору зерна на 16,2 ц/га, или на 38%. Сравнительно хороший урожай обеспечили подлиний 1 и 996, превысившие контроль на 7-11%. Из гибрида Степной 5 выделена одна мутантная подлиния 82, индуцированная мутагеном ДМС в 0,016%-й концентрации. Она превзошла контроль на 16%.

Из гибрида сахарного сорго Сивашский 50 выделены подлинии 85, 68, 66 и 84, которые по продуктивности зеленой массы превысили контроль на 78-270 ц/га, или на 20-71%. Они индуцированы мутагенами ДМС 0,025%-й и НЭМ 0,025%-й концентрации. Особую ценность представляет подлиния 85, которая превысила контроль на 71% и оказалась на 15 дней более реннеспелой.

Из сорта сахарного сорго Приазовский 1 отобраны пять мутантных подлинии 917, 923, 922, 921 и 912, превысившие по урожаю зеленой массы контроль на 19-84%. Они индуцированы мутагенами НЭМ 0,025-0,05%-й и НММ 0,012%-й концентрации.

Особое практическое значение представляют те мутантные подлинии, которые, обладая высокими комбинационными свойствами, включены в гибридизацию для создания гибридов зернового и силосного сорго. В качестве примера приведем подлинию зернового сорго 984, индуцированную из гибрида Степной 5 мутагеном ДМС 0,025%-й концентрации. Полученный гибрид А-342 х № 984 (Мутант 5)

дал примерно такой же урожай 57,6 ц/га, как и стандарт Степной 5, но оказался на 20 дней более раннеспелым. Высокой продуктивностью отличались гибриды, созданные на основе стерильной линии карликового мутанта Коричневозерное 481 (подлиния 990). Так, гибриды подлинии 990 С х Хегари раннее 85 и подлиния 990 С х Ингулка 113 обеспечили урожай зерна соответственно 85,7 и 69,0 ц/га при урожае стандарта - Степной 5 - 61,9 ц/га.

По силосному сорго достигнуты еще более убедительные результаты. Подлинии, индуцированные из сорта Приазовский 1 мутагеном НММ 0,012%-й концентрации, обнаруживают высокую комбинационную ценность. Так, сбор зеленой массы у гибридов А-342 х № 925 (Мутант 1) в 1975 г. и А-342 х № 921 (Мутант 2) в среднем за два года составил соответственно 856 и 762 ц/га, тогда как гибрид, полученный от контрольного сорта (А-342 х Приазовский 1), дал урожай в среднем за два года 500 ц/га (табл. 5).

Таблица 5. Продуктивность перспективных мутантных подлиний сорго и созданных на их основе гибридов (1975-1976 гг.)

Приведенные данные свидетельствуют о том, что большинство полученных мутантов могут служить ценным исходным материалом для селекции сорго на гетерозис и некоторые из них, отличающиеся высокой продуктивностью, уже сейчас можно размножать и внедрять в производство. Ниже дано описание десяти лучших мутантных подлиний.

Подлиния 991 выделена в третьем поколении из линии зернового сорго Коричневозерное 481 Ф от действия НЭМ 0,05%-й концентрации. Карликовая форма отличается от контроля низкорослостью - 85 см (на 53 см ниже контроля). Листья имеют длину 51 см (у контроля - 46), ширину 8,7 см. Метелка комовая, удлиненно-овальная, длиной 24,8 см. Зерно темно-коричневой окраски с рыхлым эндоспермом, содержит белка - 9,8%, лизина в белке - 3,3%. Подлиния раннеспелая - вегетационный период 87 дней, служит закрепителем стерильности. На ее основе создана стерильная линия.

Подлиния 990 получена в третьем поколении из линии зернового сорго Коричневозерное 481С под действием 0,01%-го ЭЙ. Отличается от контроля карликовостью. Высота главного стебля 85 см. Длина листа 55,0 см, ширина 9,0 см. Метелка комовая, удлиненно-овальная, длиной 24, шириной 11 см. Зерно темно-коричневой окраски. Содержит белка 13%, лизина в белке - 4,1%. Используется как источник высоколизиновости. Вегетационными период - 88 дней. Служит стерильным аналогом подлиний 991. Созданные на ее основе гибриды обеспечивают высокий эффект гетерозиса.

Подлиния 84 отобрана в третьем поколении из гибрида зернового сорго Степной 5 от действия ДМС 0,025%-й концентрации. Отличается низкорослостью - 100 см. Длина листа 57 см, ширина 6,8 см. Метелка удлиненно-овальной формы, длина 27,6, ширина 6,1 см. Подлиния раннеспелая, длина вегетационного периода 87 дней. Обладает высокой комбинационной способностью. Гибриды, созданные на ее основе, раннеспелы и проявляют высокий гетерозис (см. табл. 5).

Подлиния 921 возникла в третьем поколении из сорта сахарного сорго Приазовский 1 под действием НММ в 0,012%-й концентрации. Отличается высокорослостью - 233 см (на 26 см выше контроля) и позднеспелостью (на 23 дня). Длина листа 55, ширина 7,9 см. Метелка округло-овальной формы, серо-бурой окраски, длиной 26,8 см. Подлиния, проявляя высокую продуктивность, обладает большой комбинационной способностью (табл. 5). Широко используется нами в гибридизации.

Подлиния 24 выделена в четвертом поколении из гибрида силосного сорго Сивашский 5 под действием 0,025%-й концентрации. Более высокорослая - 218 см, чем контроль, и поспевает на 4 дня позднее его. Длина листа 51 см, ширина 7,6 см. Метелка продолговато-овальной формы, серо-бурой окраски, длиной 23,2 см. Подлиния обладает высокими комбинационными свойствами. Включена в гибридизацию.

Подлиния 36 получена в четвертом поколении из сорта кормового сорго Сарваши под влиянием НММ 0,025%-й концентрации. Устойчива против тли и полегания. Отличается карликовостью - 120 см (на 80 см ниже контроля). Длина листа 44,8 см (на 13 см меньше контроля), ширина 8,5 см (на 1,1 см больше контроля). Длина метелки 18,4 см (на 1,2 см больше контроля). Метелка серо-темно-коричневой окраски, яйцевидной формы, комовая. Подлиния одностебельная. Вегетационный период 98 дней, что на шесть дней меньше контроля. Обладает высокой комбинационной и закрепительной способностью. На ее основе создан стерильный аналог для выведения гибридов силосного сорго и суданской травы.

Подлиния 40 выявлена в четвертом поколении из сорта кормового сорго Сарваши от действия НММ 0,025%-й концентрации. Устойчива против тли и полегания. Низкорослая - 131 см (на 69 см ниже контроля), кустистая, тонкостебельная. Длина листа 51,4 см (на 6,4 см короче контроля), ширина 7,5 см (на 0,1 см шире контроля). Длина метелки 15,6 см (на 2,6 см меньше контроля). Метелка комовая, яйцевидной формы, серо-коричневой окраски. Вегетационный период 105 дней (как у контроля). Обладает закрепительной и высокой комбинационной способностью. Создается стерильный аналог для селекции.

Подлиния 85 происходит от четвертого поколения гибрида силосного сорго Сивашский 50, индуцированного под влиянием 0,025%-й ДМС. Высокорослая - 225 см (на 6 см выше контроля), раннеспелая - период вегетации 101 день (на 5 дней скороспелее контроля). Длина листа 59 см, ширина 8,4 см, длина метелки 23,6 см (на 2 см длиннее контроля). Метелка рыхло-комовая, удлиненная, коричневой окраски. Кустистость высокая (в 1,4 раза превосходит контроль). Подлиния высокоурожайна (табл. 5), перспективна для размножения и внедрения в производство.

Подлиния 88 получена в четвертом поколении из гибрида силосного сорго Сивашский 50 под воздействием ДМС 0,025%-й концентрации. Низкорослая - 144 см (на 73 см ниже контроля). Метелка 29,4 см (на 8,8 см длиннее контроля), комовая, удлиненная, темно-серая. Ветроустойчива. Не повреждается тлей и бактериозами. Обладает закрепительной и высокой КС. Создан стерильный аналог для выведения гибридов силосного сорго.

Подлиния 94 отобрана в четвертом поколении из сорго-суданкового гибрида Херсонский 10, индуцированного мутагеном НЭМ в 0,025%-й концентрации. Высота 186 см (на 17 см длиннее контроля). Длина листа 44,2 см (на 10,2 см больше контроля). Длина метелки 29,2 см (на 2,4 см превышает контроль). В отличие от контроля характеризуется Сочностебельностью. Вегетационный период - 91 день. Высокой КС. Используется для создания сочно-стебельных сорго-суданковых гибридов.

Таким образом, мутагенез - надежный источник пополнения ценного исходного материала для селекции сорго на гетерозис.