Иммунологический мониторинг селекционного материала озимой ржи и овса в таежной зоне томской области 06. 01. 05 селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений
|
| На правах рукописи Сайнакова Анна Борисовна ИММУНОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СЕЛЕКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ОЗИМОЙ РЖИ И ОВСА В ТАЕЖНОЙ ЗОНЕ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ 06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук Тюмень – 2011 Диссертационная работа выполнена в Государственном научном учреждении «Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа» Россельхозакадемии Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Заушинцена Александра Васильевна Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, с.н.с. Поползухина Нина Алексеевна кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Тоболова Галина Васильевна Ведущая организация: Красноярский государственный аграрный университет Защита диссертации состоится «29» июня 2011 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Тюменской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, д.7, тел/факс: (3452) 46-87-77, E-mail: dissTGSHA@mail.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной сельскохозяйственной академии Автореферат разослан «26» мая 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета _______________ Н.В. Литвиненко ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Производственная деятельность населения в сфере сельского хозяйства страны вносит существенное негативное влияние на состояние агроэкосистем, вызывая эрозию, дегумификацию почвы и загрязнение её пестицидами, уничтожение растительного покрова, обеднение генетического потенциала растений. Традиционная защита растений от болезней, сорняков, и вредителей с использованием химических средств оказалась недостаточно эффективной и экологически безопасной. В России и странах СНГ, несмотря на ежегодную обработку посевов полевых культур пестицидами на площади 159 млн. га в период 1986-1990 гг. ежегодно терялось 25-27% продукции растениеводства и зафиксировано ее загрязнение химическими соединениями (М.С. Соколова и др., 1994). Важнейшими традиционно возделываемыми, самыми стародавними и надежными культурами в таежной зоне Томской области являются озимая рожь и овес. Из 215 тыс. га в области под озимой рожью – 5,5%; под овсом – 28%. Их урожайность в последние годы имеет тенденцию к снижению. Одной из причин является отсутствие в регионе сортов, устойчивых к болезням. В числе наиболее распространенных и вредоносных из них значатся ржавчинные и головневые грибы, корневые гнили и ряд возбудителей, вызывающих листовые пятнистости. Одним из перспективных и альтернативным направлением в решении проблем агроэкосистем и увеличении продуктивности полевых культур в Сибирском регионе является создание и внедрение в сельскохозяйственное производство иммунных сортов, способных давать стабильные урожаи в зоне экстремального земледелия. Исследования в этом направлении были и остаются актуальными. Цель: Изучение устойчивости селекционного материала озимой ржи и овса к вредоносным болезням и обоснование направлений стратегии селекции культур на иммунитет в таежной зоне Томской области. Задачи исследований: – выявить наиболее вредоносные болезни озимой ржи и овса; – определить видовой состав возбудителей болезней озимой ржи и овса; – оценить селекционный материал озимой ржи и овса на иммунитет к болезням; – обосновать направления стратегии селекции озимой ржи и овса на иммунитет в условиях таежной зоны Томской области. Научная новизна. Впервые в таежной зоне Томской области выявлены наиболее вредоносные болезни озимой ржи и овса и характер их проявления. Проведен мониторинг селекционного материала по озимой ржи на иммунитет к бурой и стеблевой ржавчине, мучнистой росе, снежной плесени, септориозу и корневой гнили; по овсу на иммунитет к красно-бурой пятнистости, корневой гнили и пыльной головне. Выделены 2 перспективных изолятора озимой ржи, слабовосприимчивых к комплексу заболеваний (снежной плесени, септориозу, корневой гнили), с зерновой продуктивностью 2,5 т/га. Отобрано 10 линий овса иммунных к пыльной головне, отвечающие требованиям производства по продолжительности вегетационного периода (от 73-84 дней) и урожайности зерна (2,7-5,9 т/га). Обоснованы направления стратегии селекции новых сортов озимой ржи и овса, направленные на повышение устойчивости растений к поражению наиболее вредоносными возбудителями болезней. Практическая значимость работы. За годы исследований (2002-2005 гг.) выделены новые изоляторы озимой ржи, которые слабовосприимчивы к комплексу заболеваний: к снежной плесени и септориозу – 3/91 [(Таловская 12 х Вятка)], 3/89 (отбор из переопыленного сорта Чулпан); к снежной плесени, септориозу и корневым гнилям – 2/96 [(Крона х Вятка) х Нарымская 89]. Изолятор 2/96 [(Крона х Вятка) х Нарымская 89] х Нарымская 89 передан в Государственное сортоиспытание в 2010 г. под названием Нарымчанка. Выделены перспективные линии овса, устойчивые к пыльной головне: 1376/91 (Скакун х Метис); 5252/95 (Н1121 х aurea 603); 1923/00 [Нальмэс х (Скакун х 81Н444)]; 1909/00 (Нальмэс х 81Н444), которые являются базовыми в создании новых сортов. На защиту диссертации выносятся следующие основные положения: 1. В таежной зоне Томской области наиболее вредоносными болезнями озимой ржи являются бурая листовая и стеблевая ржавчина, мучнистая роса; вредоносными болезнями овса – красно-бурая пятнистость. Эпифитотийный характер этих заболеваний наблюдается 1-3 раза в 10 лет. 2. Выделены перспективные образцы, пригодные для выведения новых иммунных сортов озимой ржи и овса. 3. Разработаны элементы стратегии селекции озимой ржи и овса, направленные на повышение устойчивости растений к возбудителям болезней. Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на VII Международной научно-практической конференции (Кемерово, 2008 г.); на ХII Международной научно-практической конференции на тему: «Аграрная наука – сельскохозяйственному производству Казахстана, Сибири и Монголии» (Шимкент, 2009 г.), на научно-методической региональной конференции в Нарымском отделе СибНИИСХиТ (Колпашево, 2009 г.); на заседании генетико-селекционного методического семинара Кемеровского ГУ (Кемерово, 2009 г.), на заседании научной сессии СибНИИСХиТ (Томск, 2010 г.). На Российской конференции с международным участием: «Флора и растительность антропогенно нарушенных территорий» (Кемерово, 2010 г.). Личный вклад автора. Автором выполнены полевые работы, лабораторные анализы, проведена математическая обработка полученных результатов. При выполнении работы, был произведен анализ фондовых архивных и отчетных материалов: Томской станции защиты растений за 1980-2005 гг., Нарымской государственной селекционной станции за 2002-2005 гг., Запсибгидромет обсерватории г. Колпашево за 2002-2005 гг. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 153 страницах компьютерного текста, содержит 4 главы, 15 таблиц, 22 рисунка и 26 приложений. Список используемой литературы включает 344 источников, из них 78 на иностранном языке. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава1 Болезни озимой ржи и овса в связи с селекцией культур в Томской области (обзор научной литературы) Приведен краткий обзор отечественной и зарубежной литературы по изучаемым вопросам. Представлены данные по распространенности и вредоносности болезней озимой ржи и овса в таежной зоне Томской области. Глава 2 Условия, исходный материал и методика проведения исследований Исследования проведены в 2002-2005 гг. в лаборатории защиты растений Нарымского отдела ГНУ «Сибирский научно исследовательский институт сельского хозяйства и торфа» РАСХН, на культурах озимая рожь и овес. Почвы опытных участков дерново-подзолистые, супесчаные по гранулометрическому составу. Содержание гумуса около 2,0%, pH солевой вытяжки 4,4, гидролитическая кислотность (Hr) 4,2-6,5 мг-экв./100 г почвы. Наличие в почве питательных веществ в подвижной форме: нитратного азота (N-NO3) – до 5 мг/кг; фосфора (P2O5) – 12,1-18,1 мг в 100 г почвы; калия (K2O) – 8,3-13,9 мг в 100 г почвы; содержание подвижного алюминия очень высокое – 4,38-9,06 мг в 100 г почвы; обменного кальция 754 мг/кг. Погодные условия в годы исследований значительно различались: гидротермический коэффициент в 2002 г. составил – 2,1, в 2003 г. – 0,9, в 2004 г. – 2,3, в 2005 г. – 2,6, что показывает недостаточное увлажнение в 2003 г. и избыточное в остальные. В целом погодные условия способствовали развитию фитопатологической инфекции на посевах зерновых культур, что позволило провести иммунологический мониторинг селекционного материала. Материалом исследований являлись 23 изолятора озимой ржи в питомнике конкурсного сортоиспытания. По культуре овес изучено 363 образца, из них 89 в гибридных питомниках (F3, F4), 191 в контрольном питомнике, 83 в конкурсном сортоиспытании. Экспериментальная работа проведена полевыми и лабораторными методами. Основные учеты, анализы и наблюдения осуществлены по общепринятым и апробированным в научных учреждениях методикам: определение бурой листовой и стеблевой (линейной) ржавчины на озимой ржи осуществляли по методике Э.Э. Гешеле (1978); определение корневой гнили на зерновых культурах по методике В.А. Чулкиной (1972); определение мучнистой росы, септориоза и красно-бурой пятнистости по методическим рекомендациям Э.Э. Гешеле (1978); определение снежной плесени на озимой ржи в соответствии с методикой А.Е. Чумакова, Т.И. Захаровой (1990); определение пыльной головни овса в естественных условиях по методике К.М. Степанова, А.Е. Чумакова (1972) и на провокационном фоне по методике Э.Э. Гешеле (1978); определение инфекции семян по ГОСТ 12044-93. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с использованием компьютерной программы (Statistica 6.0), которая позволяет рассчитать среднестатистические показатели, критерии достоверности, корреляционный и регрессионный виды анализов. Глава 3 Болезни озимой ржи и стратегия селекции культуры на иммунитет 3.1 Прогноз развития болезней Анализ фондовых материалов Томской станции защиты растений за 26 лет (1980-2005 гг.) по культуре озимая рожь, показал, что растения поражаются следующими болезнями: бурой листовой и стеблевой ржавчиной, мучнистой росой, септориозом, снежной плесенью и корневой гнилью. Прогнозы совпадают в 56-100% лет в зависимости от вида возбудителя (табл. 1). Листовые болезни растений развиваются не одновременно. Мучнистую росу можно наблюдать в период молочной спелости зерна, а бурую ржавчину в период восковой. Если эти болезни не проявляются в период роста и развития растений, то обязательно на листьях можно обнаружить развитие другого патогенна – септориоз. Появление корневых гнилей сопровождается с развитием и других болезней. Таблица 1 – Прогноз и фактическое развитие болезней озимой ржи в Колпашевском районе (1980-2005 гг.)
3.2 Восприимчивость растений озимой ржи к бурой листовой ржавчине (Puccinia dispersa Erikss.) Исследования растений проведены на естественном фоне, так как погодные условия способствовали ежегодному сильному развитию бурой ржавчины, а в 2005 г. наблюдали эпифитотию. Массовому распространению бурой ржавчины способствовало дождливое и жаркое лето (r = 0,91±0,24; r = 0,82±0,19 соответственно). Не выявлено существенного различия по взаимоотношениям растения-хозяина и паразита на стандартных сортах. Максимальное поражение листьев достигает 34,7-55,2%. За годы исследований степень поражения у сортообразцов варьировала от 10,2-55,2%, поэтому динамика развития бурой ржавчины имеет особое значение для отбора устойчивых генотипов. Регрессионный анализ показал, что развитие возбудителя бурой ржавчины на листьях ржи на 1% приводит к потере зерновой продуктивности на 9,1-20,6%. В качестве перспективных для дальнейшей селекции нами выделены изоляторы: 4/95, 2/96, 3/91 и 3/89. 3.3 Восприимчивость растений озимой ржи к стеблевой ржавчине (Puccinia graminis Pers.) Наличие частых эпифитотий стеблевой ржавчины озимой ржи позволяет проводить оценку селекционного материала в естественных условиях, не создавая провокационных фонов. Корреляционный анализ показал прямую сильную зависимость степени развития заболевания от влажности (r = 0,95±0,27) и температуры воздуха (r = 0,87±0,21). В эпифитотийном 2005 году первые признаки заболевания стали отмечать во II-ой декаде июля, хотя обычно в зоне наших исследований данное заболевание проявляется только в I-ой декаде августа. Степень поражения у сортообразцов ржи варьировала от 12,4 до 56,0%. Регрессионный анализ показал, что развитие возбудителя стеблевой ржавчины озимой ржи на 1% приводит к потере зерновой продуктивности на 8,4-19,8%. Надежных источников иммунитета не выявлено. 3.4 Восприимчивость растений озимой ржи к мучнистой росе (Blumeria graminis DC.) Мучнистая роса – одно из самых вредоносных и распространенных болезней озимой ржи в таежной зоне Томской области, так как не редко потери урожая могут составлять до 17,0% и выше (Кривченко В.И., 1975; Бражников П.Н., 2006 и др.). Минимальное поражение растений возбудителем B. graminis отметили в 2002 г. (9,1-14,9%), а максимальное – в 2005 г. (43,8-47,8%). Погодные условия вегетационного периода способствовали развитию эпифитотии, которую спровоцировали высокая температура воздуха (r = 0,90±0,08) и влажность воздуха (r = 0,93±0,28). Степень поражения листьев у сортообразцов ржи изменялась от 43,8 до 47,8%. Все отнесены к группе среднеустойчивых. Это допускает их дальнейшее использование в селекции новых сортов, но необходимо усилить это направление селекции с использованием в гибридизации надежных генетических источников и доноров иммунитета. Регрессионный анализ показал, что развитие возбудителя мучнистой росы на 1% приводит к потере зерновой продуктивности на 7,5-17,2%. 3.5 Восприимчивость растений озимой ржи к септориозу (Septoria nodorum Berk., S. tritici Rob. Et Desm) Развитие септориоза наблюдалось ежегодно, но без эпифитотии. Симптомы поражения на листьях спровоцировали грибы из рода Septoria: S. nodorum и S. tritici. Степень восприимчивости растений ржи к популяции возбудителей болезни варьировала от 0 до 6,5%. Селекционный материал оценен как устойчивый или слабовосприимчивый к данным фитопатогенам. 3.6 Восприимчивость растений озимой ржи к снежной плесени (Fusarium nivale Ces.) В зоне исследований снежная плесень проявляется ежегодно. Особенно благоприятно складывались для развития болезни условия перезимовки в 2004 г., что позволило приравнять их к условиям провокационного фона. На развитие заболевания оказывает влияние высота снежного покрова (r=0,72±0,21) и продолжительность периода его залегания (r=0,57±0,14). Поражение растений составило от 5,0-24,5%, что позволяет отнести их к группе слабовосприимчивых. Сортообразцы 3/91 и 3/89 достоверно отличались в лучшую сторону от контрольного сорта Дымка, а образец 3/89 – от сорта Петровна. Это позволило включить их в группу перспективных образцов для дальнейшего использования в селекции озимой ржи по данному признаку. 3.7 Восприимчивость растений озимой ржи к корневым гнилям (Bipolaris sorokiniana Sacc., Fusarium аvenaceum Fr., F. oxysporum Schltdl, и F. graminearum Schwabe.) В популяции корневых гнилей выделили несколько видов грибов: Bipolaris sorokiniana, F. аvenaceum, F. oxysporum, и F. graminearum. Степень восприимчивости растений к возбудителю болезни изучали на естественном фоне. На протяжении всего периода наблюдений она не превысила 25% и изменялась от 8,1 до 24,2%. Весь материал отнесен к группе слабовосприимчивых. Высокую стабильность по толерантности растений к поражению корневой гнилью (11,2-11,3%) имеет изолятор 2/96. Он представляет интерес для дальнейшего использования в селекции на иммунитет. 3.8 Инфекционные болезни семян озимой ржи Возбудители болезней семян создают серьезные проблемы в зерновом хозяйстве. На территории России ежегодные потери урожая от семенной инфекции составляют от 10 до 20% (Санин С.С. и др., 2002). В результате фитопатологического анализа семян озимой ржи из питомника конкурсного сортоиспытания идентифицировано 7 видов возбудителей болезней: Bipolaris sorokiniana (Sacc.) Shoemaker, Fusarium avenaceum Fr., F. culmorum Sm., F. nivale Ces, Alternaria alternate (Fr.) Keissl, Aspergillus fumigatos Fresen, Penicillium cyclopium Westend. Степень инфицирования семенного материала варьировала в следующих пределах: гельминтоспориозом – 3-10%, фузариозом – 0,5-7,5%, альтернариозом – 3,5-11,5% и плесени – 0-10,5%. Выделены перспективные сортообразцы (2/96, 3/91, 3/89), у которых за годы изучения уровень инфекционной нагрузки семян не превысил 10%. Данный показатель имеет важное значение в практической селекции. По данным некоторых ученых инфекционные болезни семян влияют на лабораторную всхожесть (Высоцкая М.А., 1979; Левитин М.М., 2008). В зоне исследований степень поражения семян фитопатогенами большого влияния на лабораторную всхожесть не оказывает, первой закономерности не выявлено. Полевая всхожесть у стандартного сорта Петровна варьировала от 94% в 2002 г. до 96% – в 2004 г., а в среднем по опыту составила 88%. Выделились изоляторы, у которых данный показатель достоверно выше: 3/89 (90%); 4/95 (92%). 3.9 Формирование продуктивности озимой ржи Важными критериями при оценке зерновой продуктивности являются: число продуктивных стеблей на единице площади, число зерен в колосе, масса зерна с колоса и масса 1000 семян. Из исследуемого селекционного материала выделен изолятор 3/89, имеющий высокое число зерен в колосе (52 шт.). Высокую массу зерна с колоса (1,76 г) обнаружили у изолятора 2/96 в 2004 г., массу 1000 семян – у стандартного сорта Петровна (36,8 г) в 2003 г., у изолятора 2/96 (37,3 г) – в 2004 г., 3/89 (36,8 г) – в 2003 г. Высокую урожайность отметили в 2002 и 2005 гг. (табл. 2). По значениям средних показателей среди изучаемых изоляторов существенных различий нет. Таблица 2 – Урожайность зерна озимой ржи в конкурсном сортоиспытании
Установлена несущественная положительная связь между урожайностью и элементами продуктивности. Коэффициент корреляции с озерненностью колоса – от 0,24±0,05 до 0,33±0,07; с массой 1000 семян – от 0,24±0,08 до 0,45±0,11. Анализ связи урожайности с развитием болезней в эпифитотийные годы выявил умеренную корреляционную связь (от r = 0,47±0,06 до r = 0,56±0,27). Наряду с этим регрессионный анализ показал, что при увеличении развития болезни на единицу (1%) урожайность зерна снижается на 6,0-17,3%. 3.10 Стратегия селекции культуры на иммунитет к болезням Анализ селекционного материала за ряд лет (2002-2005 гг.) показал недостаточный уровень иммунитета озимой ржи. Существенным резервом повышения устойчивости к болезням и продуктивности является изучение мирового генофонда культуры в этом направлении. К сожалению, последние 10 лет таких исследований не проводилось. Нами обоснованы элементы стратегии селекции озимой ржи, направленные на повышение устойчивости растений к поражению наиболее вредоносными возбудителями болезней: 1. Организация провокационных фонов по основным вредоносным болезням; 2. Периодическое уточнение видового и расового состава возбудителей болезней; 3. Оценка коллекции озимой ржи из мирового генофонда ВИР на провокационных фонах в зоне исследований; 4. Поиск источников индивидуального и комплексного иммунитета среди мирового генофонда озимой ржи; 5. Изучение донорских свойств выделенных генетических источников в тестерных скрещиваниях с восприимчивыми, но высокопродуктивными, адаптированными к местным условиям среды сортами; 6. Обязательное включение доноров иммунитета во все программы скрещиваний, независимо от направления селекции; 7. Проведение массовой оценки полученного гибридного фонда и другого селекционного материала на искусственных инфекционных фонах; 8. Создание нового исходного материала с повышенным иммунитетом к отдельным видам или комплексу заболеваний; 9. Осуществление отбора иммунных форм с высокой продуктивностью; 10. Применение жесткой браковки восприимчивых изоляторов на всех этапах изучения селекционного материала–от гибридного питомника до конкурсного сортоиспытания. В процессе реализации научной программы по иммунологическому мониторингу селекционного материала выведено 2 новых сорта озимой ржи Петровна 2 и Нарымчанка. Нарымчанка. [(Крона х Вятка) х Нарымская 89] х Нарымская 89. Выведена в СибНИИСХиТ (авторы Бражников П.Н., Сайнакова А.Б.) методом индивидуального семейственного отбора. Сорт короткостебельный (125-135 см), устойчив к полеганию (5 баллов), обладает высокой зимостойкостью (5 баллов), устойчивостью к септориозу (не более 4%) и к корневым гнилям (не более 11,3%). В период исследований максимальное поражение септориозом составило не более 4%, в годы эпифитотий – до 35%. Корневыми гнилями поражается на уровне 12%, в годы эпифитотий – до 40%. Популяция устойчива к снежной плесени (менее 10%). Обладает высокой регенерационной способностью, что позволяет восстановить продуктивный стеблестой после поражения снежной плесенью. Наряду с устойчивостью к септориозу и корневым гнилям слабо поражается семенными инфекциями: фузариозом – 6%, альтернариозом – 6%, гельминтоспориозом – 5,5%, плесенью – 10,5%. Масса 1000 семян – 28-35 г, активность альфа-амилазы средняя, содержание белка в зерне – 11%. Средняя урожайность составляет 4,2 т/га. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
