§ 3. Методы и результаты создания стерильных аналогов самоопыленных линий сорговых культур

3.1. Методы селекции стерильных аналогов линий

Самоопыленные линии и их стерильные аналоги на современном этапе селекции сорго служат основным материалом для выведения гибридов сорговых культур. Однако ограниченность в подборе исходных форм и прежде всего раннеспелых стерильных линий значительно усложняет эту задачу. Включенные в селекционную работу зарубежные позднеспелые стерильные линии для почвенно-климатических условий юга и юго-востока нашей страны являются малопригодными. Позднеспелая стерильная линия сорго Стерильное 8 селекции ВНИИ кукурузы, хотя и обладает высокой комбинационной ценностью, не совпадает по срокам цветения с раннеспелыми опылителями, в результате чего возникают затруднения при выращивании гибридных семян сорго на участках гибридизации. В связи с этим возникла необходимость в создании раннеспелых стерильных аналогов сорго на местном селекционном материале. Селекция стерильных аналогов самоопыленных линий сорго является весьма важным звеном селекционного процесса. Методика его разработана на кукурузе зарубежными и отечественными учеными.

Учитывая существующие методы создания стерильных аналогов по кукурузе, селекционеры по сорго за последние годы создали ряд раннеспелых стерильных аналогов местных сортов и линий сорго. Нами ставилась задача усовершенствовать методику одновренного создания самоопыленных линий сорго и их стерильных аналогов по схеме, разработанной Б. С. Соколовым (1962) для кукурузы.

Работа по одновременному созданию стерильных аналогов зернового и сахарного сорго и их самоопыленных линий-закрепителей стерильности начата в 1961 г. на Генической опытной станции, затем продолжена на Кубанской опытной станции ВИР и во ВНИИ сорго. В качестве источников ЦМС использовались стерильные линии: позднеспелая - Стерильное 8, среднеспелая - Низкорослое 81С, раннеспелая - Низкорослое 92С и стерильный раннеспелый гибрид второго поколения, полученный нами на фертильной основе (Желтозерное 10X Низкорослое 80С). Фертильные опылители, для которых создавались стерильные аналоги, подбирали такие, которые по реакции на ЦМС проявили полную стерильность или были частично фертильными и обладали высокой комбинационной ценностью. Поскольку образцы бывают генетически неоднородными по реакции на ЦМС, ежегодно проводилось самоопыление их и подбор тех форм которые давали только стерильное потомство.

Чтобы создать самоопыленную линию сорго в обычных условиях, требуется минимум 5-6 лет, а для создания стерильного аналога необходимо затратить еще столько же. Такой длинный путь является малоэффективным. Для ускоренного получения самоопыленных линий и их стерильных аналогов мы применили метод одновременного их создания по специальной схеме (см. схему). Это дало возможность в течение 5-6 лет путем насыщающих скрещиваний и тщательных отборов на стерильность создать стерильный аналог и одновременно самоопыленную линию-закрепитель стерильности к нему. Для удобства работы с исходными формами и источником стерильности в питомнике насыщающих скрещиваний смежными рядами (семьями) высевали стерильные (материнские) и фертильные (отцовские) образцы.

В первый год насыщения опыление стерильных метелок проводили смесью пыльцы из метелок 8-10 растений, а начиная со второго года на каждом рядке материнской и отцовской форм (семьей) в начале цветения отбирали 3-5 растений, наиболее типичных по морфологическим признакам, причем метелки материнской линии использовали только стерильные. Растения эти нумеровали попарно, а метелки изолировали пергаментными изоляторами. Во время цветения пыльцой фертильного растения опыляли одну стерильную метелку. Одновременно фертильное растение самоопыляли. Таким образом насыщение проводилось по всем 3-5 изолированным растениям каждой семьи. Во время опыления делали соответствующие надписи на этикетках каждой изолированной метелки и записи в специальном журнале. В последующие годы продолжалось беккроссирование стерильных растений пыльцой фертильной формы. При этом отбирали самые высокостерильные формы, наиболее сходные по всем признакам с той линией, которой насыщали. Насыщающие скрещивания проводили в течение 5-6 лет до получения полного сходства между стерильной формой и ее опылителем по всем морфобиологическим признакам. В следующем году высевали по 10-12 пар семей каждой линии, с тем чтобы собрать больше семян для посева в питомнике размножения.

Степень стерильности определяли по трехбалльной шкале. Наличие или отсутствие пыльцы в утренние часы выявляли тщательным визуальным осмотром метелок насыщаемой формы. Кроме этого, на 2-3 веточки каждой метелки главного стебля насыщаемой формы надевали маленький (контрольный) изолятор, что давало возможность по наличию под ним зерна определить степень стерильности всего образца. Если при осмотре на этих веточках под контрольным изолятором обнаруживали хотя бы одно-два зерна, растения относили к полустерильным. На веточки метелок растений, предназначенных для насыщения, перед изолированием большими изоляторами всей метелки также надевали маленькие контрольные изоляторы, и если на них завязывались зерна, растения выбраковывали. Однако если определять стерильность только визуально во время цветения, то образец не будет объективно оценен, так как наличие пыльцы, особенно в завершающих поколениях насыщения, не всегда можно обнаружить.

Опыление пыльцой фертильной формы стерильной метелки мы проводили один раз через 4-5 дней после начала цветения. Завязывание семян обычно бывает хорошим, так как в этот период проходит полное цветение метелок стерильных и фертильных форм.

Теоретические предпосылки и практический результат насыщающих скрещиваний основаны на том, что каждое повторное скрещивание увеличивает наследственную долю рекуррентного компонента в потомстве на 50% (табл. 40 и схема). Мужская стерильность устойчиво передается из поколения в поколение, цитоплазма материнской стерильной формы постепенно насыщается ядерным наследственным материалом отцовской фертильной линии.

Таблица 40. Наследование стерильности в процессе насыщающих скрещиваний

Схема одновременного создания самоопыленных линий зернового, сахарного сорго, суданской травы и их стерильных аналогов

Для сокращения количества насыщающих скрещиваний при создании стерильного аналога сорго необходимо кроме генетических свойств выбрать источник стерильности, который по морфобиологическим признакам был бы близким к линии, для которой создается стерильный аналог.

Так, при создании стерильного аналога раннеспелой линии Низкорослое 80 в качестве источника стерильности использовался родственный ему раннеспелый стерильный гибрид Желтозерное 10 X Низкорослое 80 во втором поколении, у которого материнской формой было майло, а отцовской - кафрское сорго; он максимально приближался по многим признакам к исходной линии. После трех лет насыщения почти все семьи этой насыщаемой формы были полностью стерильными. Когда же источником стерильности была среднеспелая стерильная линия Низкорослое 81С кафрского сорго, то после стольких же беккроссов в насыщаемой форме было только 75% стерильных метелок (табл. 41). И. А. Драненко (1966, 1976) отмечает, что для линии Низкорослое 80, внешне резко отличающейся от источника стерильности (позднеспелая линия 4319), чтобы достичь определенного сходства стерильного аналога с его фертильной формой и высокой стерильности, необходимо шесть поколений насыщения.

Таблица 41. Наследование ЦМС у стерильных аналогов сорго в зависимости от поколений беккроссов источника стерильности

Главная причина различной реакции генотипов разных линий на стерильную цитоплазму (Сахарное раннее 556, Гаолян коричневый 272) объясняется их генетической невыравненностью, присутствием определенных генов-модификаторов, взаимодействием цитоплазмы стерильной формы и ядерных факторов фертильной линии закрепителя.

На изменение морфологических и биологических признаков и свойств решающее влияние оказывает и фертильная отцовская форма. При создании стерильного аналога для высокорослого сахарного сорго в качестве источника стерильности мы использовали низкорослое зерновое сорго, при этом габитус куста после нескольких лет насыщений резко уклоняется в сторону высокорослого опылителя.

Исследования D. Duvick (1956), М. И. Хаджинова (1962), Т. С. Чалыка (1965) по кукурузе, Б. Г. Демиденко, А. Г. Троценко (1966) по сорго показали, что стерильные и фертильные аналоги различаются между собой по высоте растений, числу междоузлий, длине соцветия, массе 1000 зерен и т. д.

По данным наших исследований, замечено, что после первого беккросса появляются мощные гетерозисные растения, резко отличающиеся от фертильной формы. В последующих поколениях гетерозис постепенно угасает, и после 3-4 года трудно отличить стерильные аналоги от фертильных, особенно по высоте растений, форме и цвету метелок, по габитусу всего куста, даже если насыщаемая форма не приобрела к этому времени полную стерильность.

Однако не все морфологические признаки растений одинаково изменяются при насыщающих скрещиваниях. Такие, как форма и компактность метелок, окраска и опушенность колосковых чешуи, остистость, цвет и форма зерна, антоциановая окраска всходов, выравниваются быстро: у стерильной формы и ее опылителя наблюдается сходство в основном, в третьем и четвертом поколениях. Значительно труднее достигается при насыщении необходимое сходство по массе 1000 зерен, выравненности в пределах куста, в кустистости и устойчивости к полеганию, по вегетационному периоду и другим признакам. Так, масса 1000 зерен у стерильного аналога Кубанский янтарь 84/327С, даже после десятикратного насыщения осталась большей (18,6 г.), чем у фертильной формы (15,3 г.). Такое явление наблюдается в основном, по всем создаваемым нами стерильным аналогам.

Данные проведенных нами исследований показывают, что в результате насыщающих скрещиваний стерильные аналоги по высоте растений уступают своим фертильным формам (табл. 42). Это же и их самоопыленных линий-закрепителей (после шести лет насыщения) наблюдается и по длине метелки, а у большинства форм - и по числу надземных узлов. Однако эти отклонения существенного значения не имеют, так как идеально выравненных по всем признакам самоопыленных линий и их стерильных аналогов создать невозможно. Опыт показывает, что для окончательного сформирования некоторых из них достаточно 5-6 лет насыщений, после этого их можно включать в широкую селекционную работу для создания гибридов на стерильной основе. В последующих насыщающих скрещиваних в процессе размножения на изолированном участке стерильные аналоги будут продолжать повышать степень сходства и процент стерильности.

Таблица 42. Морфобиологическая характеристика некоторых перспективных стерильных аналогов сорго

Однако в целях ускоренной оценки стерильных аналогов на комбинационную ценность те из них, которые показали стопроцентную продуктивными образцами-восстановителями для получения гибридов.

Завершена работа по созданию 55 стерильных аналогов к самоопыленным линиям нашей селекции, в том числе кафрского - 28, сахарного - 7, китайского - 6, веничного - 5, хлебного - 3, гвинейского сорго - 1 и суданской травы - 5.

Полный список стерильных аналогов приводится ниже:

кафрское сорго-Низкорослое 80С, СК-77С, ГОС-24С, СК-23С, Южная 373С, СК-34С, Искра 81С, Азовка 83С, Кафрское 275С, А-342, А-Ранняя 458, Перспектива 80С, Ранняя 8С, Новая 23С, Низкая 236G, Ранняя 113С, СК-19С, Комета 125С, А-83, ВИС-331С ВИС-336С, ВИС-340С, ВИС-346С, ВИС-351С, СК-150С, ВИС-23С, Искра-1С;

сахарное сорго - Янтарь кубанский 84/327С, Сахарное 97С, Сахарное 99С, ГОС-11С, А-278, Оранжевое 167С, СК-11С;

китайское сорго-Коричневозерное 481С, Карликовая 481С, ГОС-64С, ГОС-65С, ГОС-66С, СК-6С:

веничное сорго - Веничное 49 (К-419), Веничное 17С (К-1377/В), Веничное 15С, (К-115), Веничное ЗЗС (К-363), Веничное 12С (К-1182/1);

хлебное - Сарваши С, Ингулка 113С, Желтозерная 113С;

гвинейское - Гвинейское 74С (К-2974/2);

суданская трава - Одесская 25С, Южная 2С, Таврическая 1С, Ки-нельская ЭОС, Красноплечатая 16С.

3.2. Создание стерильных аналогов линий сорго на широкой генетической основе

Опыт селекционной работы с культурой сорго показал, что в производство хорошо внедряются раннеспелые высокогетерозисные гибриды зернового направления. Однако у селекционеров мало скороспелых стерильных аналогов с высокой комбинационной способностью. Кроме того, создаваемые стерильные аналоги обычным методом - насыщающих скрещиваний линий, обладающих закрепительной способностью с источником ЦМС, имеют узкую наследственную и генетическую основу, так как используется только два генотипа. Это может привести к обеднению зародышевой плазмы и различным негативным биологическим явлениям.

Поэтому с целью расширения генетического разнообразия усиления формообразовательного процесса и обогащения зародышевой плазмы в исходном материале нами проводилась разработка новых методов создания раннеспелых стерильных аналогов и их линий-закрепителей стерильности. Результаты исследований показали, что эту проблему можно решить путем использования ряда линий, обладающих закрепительной способностью и большим генетическим разнообразием.

Подобно созданию гибридных популяций на основе ЦМС (Н. А. Шепель, 1979) в 1973 г. мы начали исследования с получения раннеспелых стерильных гибридов согласно разработанной схеме. В F₁ стерильное потомство высевалось на отдельном изолированном участке, чередующимися рядами со смесью семян линий, отличающихся высокой закрепительной способностью. В поколении повторяли посев гибридных потомств со смесью семян линий-закрепителей стерильности. В результате различных рекомендаций было получено сложное потомство, обогащенное разнообразным количеством генотипов. На этом этапе отбирали стерильные низкорослые и скороспелые растения, часть семян которых высевали на отдельном участке для продолжения насыщающих скрещиваний, а другую - на втором изолированном участке, где создавалась линия-закрепитель стерильности. Эти потомства скрещивали с раннеспелой линией (опылителем) восстановителем фертильности - Орбита 13, обладающей высокой комбинационной способностью (см. схему).

Схема одновременного создания стерильного аналога и линии - закрепителя стерильности сорго на широкой генетической основе

В следующем поколении 5-7 метелок наиболее раннеспелых линий-закрепителей стерильности СК-77 или ГОС-66 кастрировали и опыляли пыльцой восстановленного гибридного потомства, с тем чтобы ядерные факторы перевести на фертильную основу. При этом около половины растений оказываются закрепителями стерильности. Все растения полувосстановители и восстановители фертильности выбраковывали. Затем на метелках будущего стерильного аналога продолжали насыщающие скрещивания пыльцой новой обогащенной линией-закрепителем стерильности, а на ней самой проводили самоопыление. В последующих поколениях насыщения в питомнике стерильных линий подбирали пары (семьи), сходные между собой по фенотипу.

Оценка на стерильность и выравненность по наиболее важным признакам и свойствам показывает, что созданные таким методом новые стерильные аналоги и к ним линии закрепители стерильности обладают широкой генетической основой, так как здесь участвуют не два, а более 10 генотипов. Стерильные линии размножаются, оцениваются на комбинационную способность и используются в селекционном процессе как материнские компоненты для выведения высокогетерозисных гибридов.

Проводя селекционную работу в теплице, получая два поколения в год, удалось завершить создание нового раннеспелого стерильного аналога - Искра 1С и его линии-закрепителя стерильности. Поэтому использование генетически разнообразных форм при создании стерильных линий на широкой генетической основе позволяет эффективно использовать возможности селекции сорго на гетерозис. Большинство стерильных аналогов, созданных нами и переданных в коллекцию, широко используются в селекции.

3.3. Создание стерильных аналогов суданской травы

Селекционно-генетической практикой установлено, что можно создавать стерильные аналоги суданской травы и включать их в селекционный процесс. Исследованиями ученых (S. Alam е. а. 1967) отмечено, что у стерильных и фертильных форм суданки мейоз происходит нормально, но при дальнейшем развитии у стерильных форм клетки тапетума дегенерируют, у фертильных же такого не наблюдается. Авторы заключают, что именно это связано со стерильностью пыльцы.

Наши исследования, проведенные на Генетической и Кубанской опытных станциях, показали, что можно получать не только сорго-суданковые, но и суданко-сорговые и суданковые гибриды, беря за материнскую форму суданскую траву с признаками ЦМС (Н. А. Шепель, 1971).

Методика создания стерильных аналогов суданской травы сходна с методикой создания линий сорго. Однако сорта ее гетерозиготны, состоят из различных генотипов по морфологическим признакам и реакции на ЦМС. Для создания стерильных аналогов и их линий-закрепителей стерильности, отбирали для насыщения те образцы, от которых в потомстве выделялись генотипы со стерильными метелками. С 1964 г. нами начата работа по созданию стерильных аналогов к 10 линиям суданской травы. Источниками ЦМС были Низкорослое 81С, Низкорослое 92С, Раннеспелая 81С, ВИР-10С и Белое 41С. Для этой цели мы использовали метод беккроссиро-вания, применяемый для культуры сорго. Техника посева, изолирования метелок, насыщающих скрещиваний, оценка степени стерильности и морфологических признаков те же, что и для сорго.

При изолировании метелок следует учитывать, что стебли суданской травы (особенно ножка метелки) очень тонкие, а надетый на метелку большой изолятор создает парусность, которая способствует при ветреной погоде ломкости метелки. С целью устранения такого нежелательного явления мы прикрепляем изолированную метелку шпагатом к 2-3 соседним стеблям, придавая ей ветроустойчивость.

Проведенные исследования показали, что почти все образцы стерильных линий суданской травы в значительной степени (больше, чем у сорго) изменяют признак стерильности в зависимости от погодных условий перед цветением и во время цветения. Решающая роль здесь принадлежит температуре воздуха. Так, например, по суданской траве сорта Пензенская ранняя во 2-м году насыщения большинство семей показало почти стопроцентную стерильность при средней температуре воздуха в период цветения 20,9°, тогда как в 3-й год насыщения при средней температуре 24,8° около 50% метелок оказались фертильными. Такое явление наблюдалось и по некоторым другим насыщаемым формам.

Наши исследования позволяют утверждать, что, как и по сорго, пыльцевая фертильность цитоплазматически стерильных форм суданской травы, как правило, увеличивается с повышением температуры воздуха и уменьшается с ее понижением в период перед цветением и во время цветения метелок. Поэтому успех сравнительно быстрого формирования стерильных аналогов суданской травы будет зависеть от тщательного подбора исследуемых метелок с признаками ЦМС в период высоких температур воздуха с последующей жесткой браковкой частично фертильных форм.

Применяя методику насыщающих скрещиваний, нам удалось создать после 5-6 лет насыщений гомозиготные по ЦМС стерильные аналоги суданской травы, большинство семей которых имеют высокую стерильность (92-100%): Одесская 25С, Южная 2С (каталог ВИР-167), Таврическая 1С (К-179), Кинельская 90С и Красно-пленчатая 16 (табл. 43).

Таблица 43. Перспективные стерильные аналоги суданской травы

Следует отметить, что в процессе создания стерильных аналогов суданской травы различные семьи одной и той же линии неодинаково наследуют стерильность и имеют разное процентное соотношение стерильных, полустерильных и фертильных форм. Данные таблицы 44 свидетельствуют, что по создаваемой стерильной линии Одесская 25С на завершающих этапах насыщения (пятый год) первая и вторая семьи имели более 73% стерильных растений, а пятая, шестая и седьмая - только около 45-58% со значительным числом полустерильных и фертильных растений. То же наблюдалось и в шестом поколении насыщения и по другим насыщаемым формам. Поэтому, чтобы вести более целенаправленную и ускоренную работу по созданию стерильных аналогов суданской травы, для дальнейшей работы мы отбирали только те семьи, метелки которых в процессе насыщения проявляют наибольший процент стерильности, остальные выбраковывали, так как такие семьи в последующих генерациях насыщения приобретают стерильность сравнительно медленно. Так, проявившаяся высокая стерильность у первой, второй и третьей семей в пятом году насыщения (69-74%), в шестом году передавалась и быстро (до 93-100%) увеличилась (увеличение стерильности составило 24-26%). У низкостерильных же семей (пятая, шестая и седьмая) за этот период стерильность увеличилась только на 4-17%.

Таблица 44. Распределение семей суданской травы Одесская 25 по степени стерильности

Результаты получения стерильных аналогов суданской травы показывают, что для окончательного их создания (95-98% стерильность) достаточно 5 - 6 генераций насыщений, считая и первое скрещивание с источником стерильности. К этому времени проявляется сходство стерильного аналога и самоопыленной линии-закрепителя стерильности суданской травы по всем морфобиологическим признакам. Однако достижение сходства признаков, в том числе и стерильности, у суданской травы проходит медленнее, чем у сорго. Если у последнего по большинству признаков сходство стерильной и фертильной форм обнаруживается уже в 3-4-м поколении насыщения, то у суданской травы гетерозис у насыщаемой формы еще проявляется по некоторым признакам даже после 5 - 6 насыщений, хотя высокая стерильность к этому времени может быть уже достигнута. Особенно это заметно на высоте растений и длине метелок (табл. 45). Общая кустистость также еще не выравнялась, поскольку в качестве источника ЦМС использовалась слабокустистая форма. Однако это обстоятельство существенного влияния на дальнейшее использование стерильных линий не имеет, так как выравненные по всем признакам самоопыленные линии и их стерильные аналоги сформировать очень трудно. Тем более, что в последующих генерациях степень насыщения и гомозиготность у стерильных аналогов суданской травы будет повышаться.

Таблица 45. Морфобиологическая характеристика перспективных стерильных аналогов суданской травы и их самоопыленных линий

Аналоги, показавшие высокую стерильность, с целью оценки их на комбинационную ценность скрещивались с высокопродуктивными образцами суданской травы и сорго для получения гибридов.

Таким образом, создание стерильных аналогов суданской травы представляет значительный научный и практический интерес для целенаправленной селекции на гетерозис.