§ 3. Селекция сорго на высоколизиновость

За последние годы посевные площади зернового сорго на юге и юго-востоке нашей страны значительно возросли, так как культура эта высокоурожайна, засухоустойчива и перспективна в кормовом отношении. Однако низкая концентрация белка (9-11%) и невысокое содержание в нем незаменимых аминокислот, прежде всего лизина, значительно снижают кормовую ценность сорго. В связи с этим на данном этапе перед сельскохозяйственной наукой стоит задача не только повысить количество получаемой продукции, но и улучшить ее качество. Задача эта нелегкая, так как по культуре сорго еще недостаточно разработаны генетические и биохимические методы селекции на белок и его качество. Изыскание путей и методов селекционного улучшения качества зерна и зеленой массы сорго имеет первостепенное значение для науки и практики.

Известны работы по кукурузе, когда путем отбора на протяжении 67 генераций ученым Иллинойской опытной станции удалось увеличить концентрацию белка с 11 до 25% [Е. Leng, 1962]. Однако высокое содержание белка почти всегда находится в прямой корреляции с его низкой кормовой ценностью.

В нашей стране и за рубежом путем использования мутантных форм Опейк 2 и Флаури 2 селекционеры значительно улучшили качество белка кукурузы. Целый ряд самоопыленных линий, сортов и гибридов кукурузы переведены на высоколизиновую основу. Некоторые высоколизиновые гибриды, изучавшиеся в государственном испытании, районированы и внедряются в производство.

Биологическая ценность высоколизинового корма по сравнению с обычным высокая. Установлено, например, что кукурузная мука удовлетворяет потребности цыплят в лизине и триптофане всего лишь на 74 и 80% соответственно. Из-за недостаточного содержания в рационах свиней незаменимых аминокислот на каждое животное за период откорма расходуется зерна на 50 кг, сочных кормов на 100 кг больше (И. И. Белокобыльский, А. А. Чистяк, 1973), тогда как многочисленными опытами подтверждена высокая эффективность высоколизиновой кукурузы (М. И. Хаджинов и др., 1969, 1970).

Как сообщают J. Axtell е. а. (1974), при кормлении крыс зерном обычного сорго и с высоким содержанием лизина при одинаковом уровне белка (10%) привесы у крыс высоколизиновой группы были примерно в 2 - 3 раза выше.

Изучая мировую коллекцию сорго в течение ряда лет в 30 странах Латинской Америки, Африки и Азии, ученые установили изменчивость в содержании белка от 7 до 26%, лизина - от 0,5 до 3,8, триптофана - от 0,34 до 4,51% в пересчете на содержание белка; жира - от 1,2 до 5,7%. Выявлены образцы с высоким содержанием белка и лизина, на основе которых создаются гибриды. Коэффициенты корреляции между урожаем зерна и концентрацией белка в нем сильно варьируют от r = +0,19 до r = -0,57, а между содержанием белка и лизина от r = +0,34 до r = -0,51, т. е. эти признаки практически не связаны, поэтому предполагается возможным получить высокоурожайные сорта и гибриды с высоким уровнем белка и лизина (F. Collins е. а., 1972).

В поисках генетических источников белка высокого качества в ряде стран изучался аминокислотный состав различных видов сорго и выявлены незначительные различия в концентрации лизина у образцов - 1,9-2,7% [Т. Busson е. а. 1962), у гибридов - от 1,6 до 2,6% [С. Deybe е. а., 1965).

Значительный интерес по количеству и качеству белка представляют образцы сорго, интродукцированные из Эфиопии. В этой стране обнаружены два сорта сорго, содержащие втрое больше белка, чем обычные злаки. С помощью мутагена диэтилсульфата получен высоколизиновый мутант сорго Р-721. Исходным материалом послужили две высоколизиновые формы сорго из Эфиопии. В отличии от этих линий, характеризующихся низким качеством зерна, мутант Р-721 содержит лизина на 60% больше (J. Axtell е. а., 1974). Е. Sullins е. а. (1975) использовали высоколизиновые линии сорго, обнаруженные в Эфиопии, у гибридов которых в F₂ наблюдалось расщепление на деформированные и нормальные зерновки. Масса 1000 деформированных зерен составляла 19,3 г, нормальных - 31,7 г, содержание белка - соответственно 11,7 и 9,6%,лизина - 3,51 и 2,34 г на 100 г белка.

В Индии из мировой коллекции выделен образец Cermum 160, содержащий 17% белка, а в нем 3,1% лизина. При изучении 96 сортов и гибридов зернового сорго обнаружена вариабильность белка в зерне в пределах 8,8-21,0%, а лизина в белке - 0,73-3,37%. Установлена отрицательная корреляция (r-0,36) между уровнем белка в зерне и концентрацией лизина в белке. В то же время были выделены образцы IS 4532 и IS 4952, отличающиеся одновременно высоким содержанием белка и лизина. Первый имеет 10,4% белка и 3,31% лизина, второй - соответственно 14,7 и 2,95%. Индийские ученые, кроме того, из 900 коллекционных образцов выделили 62 с эндоспермом типа Флаури 2, причем два из них, эфиопского происхождения IS 11176 и IS 11758 отличались высокобелковостью, - 15,7 и 17,2%) и высоколизиновость (3,34 и 3,13%) зерна. Это образцы с геном высокого содержания лизина - hl (Sing Rameschwar e. a., 1973). Лучшими источниками для селекции на повышенное содержание белка являются образцы IS 9985 и IS 10670, а лизина - IS 8191 и IS 10525[R. Rana e. a., 1975).

Н. П. Ярош и др. (1974) сообщают, что на концентрацию белка существенное влияние оказывают материнские формы, а на повышенное содержание лизина - отцовский компонент. Отмечена обратная коррелятивная зависимость, обусловленная влиянием внешних факторов между содержанием белка в зерне и лизина в белке, между массой 1000 семян и содержанием белка. Известны случаи доминирования и проявления гетерозиса по содержанию белка и важнейших аминокислот, в том числе лизина.

Исследования, направленные на повышение качества белка сорго при помощи полива, повышенных доз удобрений и других агротехнических приемов, не дали удовлетворительных результатов, так как повышение уровня белка сопровождалось снижением концентрации лизина и других незаменимых аминокислот (D. Waggle е. а., 1967).

Согласно закону гомологических рядов Н. И. Вавилова (1966) среди образцов сорго, подобно кукурузе, должны встречаться мутации типа Опейк 2 и Флаури 2. В одной из своих работ Е. Mertz (1968) указывает на целесообразность исследований, направленных на получение мутаций с заторможенным синтезом проламина для риса, пшеницы и сорго.

Известно, что в эндосперме сорго белок более чем на 50% состоит из спирторастворимой фракции (проламины), которая, как и у всех других злаковых, бедна такими важными, незаменимыми аминокислотами, как лизин и триптофан, а содержание проламинов и глютелина находится в соотношении 3:1. Исследования показывают, что в проламинах лизина около 0,2% тогда как в глютелине его 2,5-3%. Подавление синтеза проламинов должно значительно повысить уровень лизина и улучшить качество белка эндосперма этой культуры. У кукурузы кардинально решить проблему повышения качества белка удалось с помощью открытия генов, определяющих заторможенный синтез проламина (Е. Mertz, 1968), и не исключено, что гены такого типа существуют и среди образцов сорго. Так, J. Axtell е. а. (1974) сообщают, что у линий сорго из Эфиопии, характеризующихся высоким содержанием лизина, доля белка в проламиновых фракциях снижена до 40%, а в фракциях, наиболее богатых лизином, доходит до 47%, тогда как у обычных сортов в проламиновых фракциях белка более 50%.

Важно вести селекционную работу на увеличение в семенах сорго алейронового слоя, где белка содержится до 18%, а лизина - 5-6%, а также на увеличение белковых фракций - альбуминовой, глобулиновой и глютелиновой за счет уменьшения проламиновой. Полагают, что у сорго генов высоколизиновости и высокобелковости много, но в отличие от кукурузы они не имеют морфологических маркеров.

Таким образом, обзор литературы свидетельствует о том, что имеется реальная возможность повысить количество и качество белка в зерне сорго путем целенаправленной селекции.

Нами совместно с лабораторией биохимии Кубанской опытной станции ВИР проводилось изучение качества белка в зерне у различных по происхождению образцов сорго. Общий азот определялся полумикрометодом Къельдаля (коэффициент перерасчета на белок 6,25), лизин в зерне определялся колориметрически, по Сысоеву, с проверкой на аминокислотном анализаторе НД = 1200 = Е (ЧССР), в зеленой массе - только на аминокислотном анализаторе. Зеленая масса бралась на анализ в 7 часов утра, фиксировалась парами серного эфира и сушилась в термостате при температуре 50-60°С.

Предствленные на биохимическое исследование коллекционные образцы ВИР, селекционные сорта, линии и гибриды селекции станции были сгруппированы следующим образом:

1. Высокобелковые (более 13%).

2. Среднебелковые (10-13%).

3. Низкобелковые (менее 10%).

4. Высоколизиновые (более 3% в пересчете на белок).

5. Среднелизиновые (2-3%)

6. Низколизиновые (менее 2%).

По нашим данным, образцы сорго в среднем содержат белка - 10,5% (вариабильность 8,8-13,6%), лизина в муке - 0,268 (вариабильность 0,179-0,431), лизина в белке - 2,62% (1,73-4,19%). Более высокой концентрацией белка отличается суданская трава - 11,8% (вариабильность 10,0-13,0%), несколько ниже белковость у образцов китайского и хлебного сорго (11,3 и 11,0% соответственно). Китайское сорго характеризуется наиболее высоким содержанием лизина как в пересчете на муку (0,321%), так и на белок (3,2%). Широкая вариабильность каждого вида сорго по концентрации белка и его качеству показывает на высокую степень генетической изменчивости для результативного отбора (Н. А. Шепель и др. 1976).

Гибриды зернового сорго выделены в отдельную группу. Они характеризуются низким содержанием белка (9,7%) и средним - лизина (0,255% на муку и 2,6% на белок).

Концентрация белка и лизина может сочетаться в самых различных соотношениях (табл. 51). Из 185 проанализированных образцов в группе высоколизиновых оказалось 18 (9,7%). Среднее содержание белка в этой группе составляет 10,4%, лизина в муке -0,342, в белке -3,4%. К группе среднелизиновых относится наибольшее число образцов - 160 (86,5%). Среднее содержание белка у них 10,7%, лизина в муке - 0,272, в белке - 2,6%. К группе низколизиновых отнесено незначительное число образцов - 7 (3,8%). У них среднее содержание белка 11,2%, лизина в муке - 0,209, в белке - 1,8%. Обращает на себя внимание четкая обратная корреляция между низкой концентрацией лизина и сравнительно высокой - белка. Такая зависимость известна для всех зерновых культур, и наш материал подтверждает ее для культуры сорго.

Таблица 51. Содержание белков и лизина в образцах сорго (среднее за 1972 - 1973 гг.)

Подавляющее большинство образцов сорго - 126 (68%) составляет среднебелковую группу, и только 3 образца (1,6) оказались высокобелковыми. К низкобелковой группе относятся 56 образцов (30,3%). В группах по уровню концентрации белка так же, как и в группах по концентрации лизина, по мере возрастания белковости уровень лизина снижается, хотя корреляция и не очень высокая. Из 185 проанализированных образцов не обнаружено высокобелковых и высоколизиновых одновременно. Образцы с повышенным содержанием лизина и белка принадлежат к различным видам сорго.

Среди высоколизиновых образцов особенно перспективны линии нашей селекции: Коричневозерное 481С, Коричневозерное 481Ф и его мутанты, полученные от воздействия мутагенами диметил-сульфат (ДМС) при концентрации 0,16 и 0,025%, этиленимин (ЭИ)- 0,01 и нитрозоэтилмочевина (НЭМ)- О,05%. Эти образцы так же, как высокобелковые Орбита 160, Ингулка 113, Весна 117/1, Ракета 113 и Питательная 142, являются ценным материалом для селекции на качество. Высоколизиновые источники - раннеспелая линия зернового сорго Коричневозерное 481Ф и ее стерильный аналог Коричневозерное 481С, биохимические исследования по которым проводились в течение 4-6 лет (1968-1976), в сравнении со стандартом (Кубанское красное 1677) характеризуются уровнем белка соответственно 101 и 122%, лизина в белке - 166 и 139% (табл. 52). С ними и проводится нами с 1972 г. селекционная работа на высоколизиновость.

Таблица 52. Содержание белка и лизина у высоколизинового источника в сравнении со стандартом (% на абсолютно-сухое вещество)

В селекционный процесс с 1976 г. включена высокобелковая и высоколизиновая линия Р-721, полученная из коллекции ВИР. Она характеризуется содержанием белка - 14,5% лизина в муке - 0,480, в белке - 3,33% и представляет значительную ценность для селекции на качество.

Для создания сорго с высоким содержанием лизина пользуемся методом возвратно-насыщающих скрещиваний (беккроссов) путем введения генов высоколизиновости в сорта и линии районированных и перспективных гибридов согласно разработанной схеме (см. рис. 7).

Работа начинается с получения гибрида путем скрещивания источника высоколизиновости с линиями, по которым планируется создание аналога с высоким содержанием лизина. На второй год исходная линия, употребляемая в качестве рекуррентного родителя, и гибрид с высоким содержанием лизина высеваются в питомнике насыщающих скрещиваний. При этом на линии, которой придается высоколизиновость, кастрируются цветки на 5-8 метелках, т. е. с каждого цветка удаляются пыльники ручным или механическим способом. Для проверки наличия гена высоколизиновости метелки гибридов первого и последующих беккроссов самоопыляются. От каждого из растений этого гибрида через 3-4 дня пыльца наносится на каждую кастрированную метелку ЛИНИЯ X (ЛИНИЯ ХВЛ). При этом потомства в F₂ с высоким содержанием лизина использовались для получения потомств первого беккросса. Для получения ВС₂ отбирались семьи с высоким содержанием лизина у растений, полученных от самоопыления первого беккросса и т. д. В последующие годы проводятся те же работы. По данным ряда исследователей, у кукурузы достаточно 5-6 поколений беккроссов для получения надежных высоколизиновых аналогов.

Из-за отсутствия у сорго морфологических маркеров высокобелковости и высоколизиновости после каждого беккросса все семена от самоопыленных и насыщенных форм подвергаются биохимическому анализу с целью выявления этих свойств. Кастрация цветков на метелках и биохимические анализы - самая трудоемкая часть работы, сдерживающая селекционный процесс на высоколизиновость у сорго. Благодаря посевам в теплицах нам удается получать два поколения в год. Уже получены беккроссы третьего и четвертого поколений с такими перспективными сортами и линиями, как Кубанское 198, Серебристое 234, Хегари раннее 85, Людмила 107, Наталья 108, Джугара карликовая 185, Ингулка 113, Весна 117, Желтозерное 205, Орбита 13, Победа 115, КУ-14, СК-122/2, Ракета-113 и другими.

Наряду с созданием высоколизиновых аналогов проводятся скрещивания высоколизинового источника Коричневозерное 481С с другими линиями опылителями при различном уровне лизина. При этом трехлетние (1972-1974) исследования, как и в предыдущие годы (1963-1965), позволяют утверждать, что почти всегда у гибридов белка меньше, чем у родителей, или гибрид по этому признаку занимает промежуточное положение. По содержанию лизина гибриды в основном занимают промежуточное положение в сравнении с родителями, приближаясь к высоколизиновому родителю. Те гибриды, которые созданы с участием хотя бы одного высоколизинового источника (К-481С, А-303), наследуют повышенное содержание лизина. Низколизиновые родительские формы в потомстве дают низкое содержание лизина. Это особенно заметно на тех гибридах, отцовские формы которых участвовали в скрещивании с материнскими с высоким и низким уровнем лизина (Заря 106 и др.).

Нами проведен индивидуальный отбор от самоопыленных метелок гибридов второго поколения и в первоначальных стадиях беккросса, родительские формы которых имели высокий уровень белка (Весна 117 и Ингулка 113), лизина (Коричневозерное 481) и средним их уровнем (Людмила 107 и Хегари 85). Во втором поколении и последующих беккроссов выделены семьи с более высоким уровнем белка и лизина. Следовательно, в гибридном потомстве при тщательном многократном отборе возможно получение желательных генотипов.

В поисках новых источников белка высокого качества проводилась обработка различных образцов сорго химическими мутагенами. В исследования были включены высоколизиновая линия Коричневозерное 481, среднелизиновые - сорт Сарваши и гибрид Степной 5. Трехлетние (1972-1974) результаты биохимической оценки показали, что мутагенные факторы не снизили, а почти у всех мутантных форм увеличили содержание белка и лизина, в том числе и у высоколизиновой линии Коричневозерное 481. Особенно высокую мутабильную активность показал супермутаген нитрозоэтилмочевина (НЭМ) при концентрации 0,05%, который благоприятно воздействовал на все сорта сорго. Так, под его действием содержание белка в зерне в сравнении с контролями увеличилось на 2-13%, лизина в муке - на 1-14 и лизина в белке - на 1-11%. Значительный эффект на биохимический состав зерна оказали: у линии Коричневозерное 481 - диметилсульфат (ДМС) в концентрации 0,016%, у сорта Сарваши - этиленимин (ЭИ) при концентрации 0,02, нитрозометилмочевина (НММ) - 0,025 и ДМС - 0,025, у гибрида Степной 5-ДМС-0,025% (табл. 53).

Таблица 53. Влияние химических мутагенов на концентрацию белка и лизина в зерне (среднее за 1972-1974 гг.)

С помощью химического мутагенеза получены из линии Коричневозерное 481 карликовые мутанты-подлинии 990 (от действия ЭИ - 0,01%) и 991 (от действия НЭМ -0,05%), которые оказались на 53 см ниже оригинальной линии, сохранив при этом высокий уровень лизина (3,3 и 4,1%) в белке.

Таким образом, наши исследования показывают, что химический мутагенез оказывает существенное влияние на биохимические превращения зерна сорго и дает возможность выделения желательных для селекционера признаков и свойств.

Установлено, что гибриды с высокой концентрацией лизина проявляют высокий гетерозис по урожаю зерна, мало отличаясь по этому признаку от районированного гибрида Степной 5. Данные таблицы 54 показывают, что почти все высоколизиновые гибриды обеспечили более высокий выход с гектара белка и лизина. Следовательно, обнаруженные нами высоколизиновые источники в потомстве не проявляют депрессии по зерновой продуктивности и в процессе гибридизации сорго высокое содержание лизина не теряется.

Таблица 54. Урожай зерна, белка и лизина в белке, у высоколизиновых гибридов сорго в сравнении со стандартом

Так как содержание белка в значительной степени определяется генотипом материнского растения, мы с 1973 г. проводим насыщающие скрещивания высокобелковых форм с сохранением генотипа высоколизиновости. Отсутствие фенотипических маркеров вынуждает наряду с другими селекционными методами применять схему прерывающегося беккросса, т. е. повторение циклов самоопыления и беккроссов при целенаправленном отборе, испытании и размножении наиболее ценных генотипов.

Исследования показывают, что линия Коричневозерное 481С имеет высокое содержание лизина не только в зерне, но и в зеленой массе (табл. 55). Наследование белка и лизина в зеленой массе гибрида между линией Коричневозерное 481С и суданской травой идет по той же схеме, что и в зерне.

Таблица 55. Содержание белка и лизина в зеленой массе сорго-суданкового гибрида и его родительских форм

Таким образом, анализ селекционного материала в процессе контролируемой гибридизации и отбора показал, что имеется реальная возможность значительно повысить качество белка в зерне сорго, а учитывая, что зерно является конечным продуктом всего комплекса обменных процессов целого растения, аминокислотный состав зеленой массы таких форм сорго, вероятно, также будет более высококачественным, чем у обычных форм. Это подтверждается исследованиями В. Г. Рядчикова и Ю. П. Хоренко (1972); П. Н. Пыльневой и др. (1974), показывающими, что почти во всех органах и по всем фазам у кукурузы с геном Опейк 2 лизина больше, чем у обычной, что указывает на глубокую перестройку механизмов синтеза аминокислот и белка под влиянием этого гена. Н. С. Шалин и А. Ф. Сысоев (1977), изучавшие накопление лизина в вегетативной массе сорго, также подтверждают, что содержание лизина на высоком уровне сохраняется в зеленой массе в течение всей вегетации. Даже в фазе полной спелости в листьях и стеблях лизина было почти в два раза больше, чем в зерне.

Проведенные нами исследования показывают, что у гибридов сорго влияние генотипа материнской или отцовской формы в большой степени зависит от подбора родительских пар. Поэтому большое значение придаем выявлению образцов сорго с ценными биохимическими свойствами. Для этого проводится индивидуальный отбор с применением инцухтирования и жесткой браковки на перспективных самоопыленных и стерильных линиях с выделением семей по каждой линии, с тем чтобы путем биохимической оценки выявить лучшие по количеству и качеству белка семьи.

Данные исследований свидетельствуют, что путем целенаправленного индивидуального отбора и самоопыления различных форм сорго можно выделить в каждой из них семьи с повышенным содержанием белка и лизина в сравнении со стандартом.

Так, высокой вариабильностью по содержанию белка обладают Кубанское 198/2 (9,86-11,06%), Заря 105 (10,24-12,55%), Хегари раннее 85 (10,32-12,58%), по содержанию лизина в белке - Заря 105 (1,83-2,77%). Выделены семьи с повышенным содержанием белка 13,36-13,35% (Людмила 107) и лизина - 2,68-2,73% (Серебристое 243).

Изучая стерильные линии и их фертильные аналоги по биохимическому составу, установили, что почти во всех стерильных линиях в зерне белка и лизина оказалось больше, чем в зерне их фертильных аналогов. Так, перспективные стерильные линии зернового сорго, из которых только А81 несколько уступила по содержанию белка фертильной форме, превысили фертильные аналоги на 1-26%.

Следовательно, для синтеза повышенного уровня белка необходимо включать в селекционную проработку стерильные линии СК-19С, Искра 81С, Низкорослое 80С, Коричневозерное 481С, А-692 и А-398; семьи самоопыленных линий: Людмила 107/4, Заря 105/2, Наталья 108/2, Хегари раннее 85/1, Заря 106/1; для синтеза повышенного уровня лизина стерильные линии: Коричневозерное 481С, А-384; семьи самоопыленных линий Р-721/2, Серебристое 243/3, Заря 105/1, Серебристое 195/1-1.

В последние годы исследований (1978-1981) с участием нового источника Р-721 получен ряд высоколизиновых гибридов и проводится работа по созданию аналогов линий с привлечением этого источника. Так, после нескольких беккроссов и инцухтирований получены семьи следующих аналогов с высоким качеством белка: Людмила 107 с уровнем белка 13,6-15,5%, лизина в белке - 3,25-3,66%; Желтозерное 205 - соответственно 13,6-16,7% и 3,10-3,31%; Орбита 13-13,9-15,0% и 3,22-3,58%; Хегари раннее 85-13,2 и 3,67% и др.

Таким образом, селекция сорго на повышенное содержание белка и лизина имеет обнадеживающую перспективу.