Отбор по признаку урожайности на основе модели
Характерной чертой послевоенного времени является разработка моделей, которые показывают, что и как нужно создавать. Об этом говорилось в главе 8, и на примере пшеницы были показаны пути создания высокопродуктивных сортов или гибридов. Модель не только используют для подбора родительских пар и переноса генов с отдельными признаками, а также для интенсифицирования условий окружающей среды; она служит своего рода путеводной звездой при отборе на урожайность, начиная от F2 и до выведения нового сорта.
Отборы на урожайность методом per se, на основе компонентов урожая или на основе многочисленных селекционных критериев связаны с затруднениями. Поэтому при отборах по признаку урожайности на основе модели селекционеры стремятся путем объединения глазомерных и учетных оценок сделать саму процедуру отбора лучших генотипов по возможности более надежной. На примере создания высокоурожайных сортов пшеницы будет показано, как это удается осуществлять в Новосадском институте.
Весь гибридный материал выращивают по методу педигри. Чтобы добиться выраженности всех генотипов, посев в F2 проводят рядками длиной 2 м с междурядьями 20 см и расстоянием между растениями в рядке 5 см. Такие площади питания отличаются от предлагаемых Фазоуласом для полного устранения аллоконкуренции, так как конкуренция между растениями, очевидно, не так уж велика; за последние 10 лет в поколениях расщепления не наблюдалось больших различий в высоте растений и, кроме того, высота стеблей всего селекционного материала колеблется от 70 до 100 см.
В F2 начинают отбор целых растений (ОВ) или только одного колоса (ОК) с растений, которые по фенотипу соответствуют созданной модели. Принятие решения об отборе целого растения или только одного колоса зависит от признаков родительских пар, включенных в скрещивание, и от числа растений по каждой комбинации скрещивания. Обнаруженные в F2 растения, близкие к установленной модели и в особенности обладающие высокой устойчивостью к ржавчине и мучнистой росе, отбирают целиком (т.е. все колосья на одном растении), чтобы получить как можно больше семян и в F3 иметь более полное представление о данном потомстве. Если комбинация скрещивания не позволяет как можно полнее выделить во время наблюдений лучшие генотипы и F2 насчитывает огромное число растений, то отбирают только по одному колосу у соответствующих растений, охватывая, таким образом, максимальное число генотипов.
В F2 в каждой комбинации скрещиваний выращивают 2000-5000 растений. Преимущественная высота растений около 70-80 см, но отбирают растения со стеблями длиной 90-100 см. Одним из важных критериев отбора служит достижение высокой устойчивости к полеганию в условиях густого стеблестоя и на фоне высоких доз вносимого азота. Высоту стеблей не измеряют, а оценивают глазомерно, так как в этом направлении накоплен немалый опыт.
Еще большее внимание уделяется характерным признакам колоса. Глазомерно отбирают колосья, имеющие как можно большее число колосков и зерен в колоске. Обнаружено, что в агроэкологических условиях Панонской низменности наиболее продуктивны колосья прямоугольного типа и средней плотности, т.е. имеющие не слишком редкие и не слишком уплотненные колоски. Длинные рыхлые колосья отбирают только у растений с карликовым ростом (ниже 70 см).
Дальнейшим критерием отбора служит длина вегетационного периода. В установленной модели наиболее благоприятный период созревания зерна находится между сроками созревания сортов San Pastore и Безостая 1, т.е. обычно приходится в период от 25 июня до 5 июля. Растения, созревающие раньше или позже этого срока, также учитывают при отборе, но лишь в том случае, если они имеют хорошую устойчивость к болезням и, естественно, соответствующие высоту стебля и продуктивность колоса.
Особым критерием отбора в F2 в полевых условиях является устойчивость к болезням. Растения оценивают на устойчивость к мучнистой росе (Erysiphe graminis), листовой ржавчине (Puccinia recondita tritici), стеблевой ржавчине (P. graminis tritici), сенториозу (Septoria ssp.) и фузариозу (Fusarium ssp.). Оценку на устойчивость к листовой ржавчине проводят в условиях искусственного инфекционного фона, созданного из смеси физиологических рас, характерных для зоны возделывания данной культуры, а к остальным патогенам - только на естественном инфекционном фоне. Каждое устойчивое и среднеустойчивое растение маркируют этикетками.
Отбор растений и колосьев проводят индивидуально, но продуктивность самих растений и колосьев не учитывают, оценивая семена перед посевом глазомерно. Для посева берут только ОВ и ОК с большим числом зерен хорошей выполненности. В зависимости от комбинации скрещивания выбраковка на основе осмотра семян составляет 10-50%, хотя в отдельных случаях (при плохом качестве семян) могут быть выбракованы даже целые комбинации скрещиваний, несмотря на то что растения имеют удовлетворительные хозяйственно-биологические признаки и свойства.
Семена ОВ высевают пятью рядками длиной 2 м с расстоянием между рядками 20 см и между семенами в рядке 5 см. Посев семян с отобранных колосьев (ОК) проводят таким же образом, но в один рядок. Поскольку в F3 расщепление признаков все еще достаточно велико, посев проводят так же, как и в F2, чтобы избежать большой конкуренции между растениями и легче выделять генотипы, представляющие ценность.
В F3 уже начинается формирование линий, поэтому отборы проводят на основе не только отдельных растений и колосьев, но и целых рядков (OR), особенно в тех случаях, когда родительские формы слабо различаются между собой по морфологическим признакам, или же при условии, что проведено одно возвратное скрещивание и целый рядок (От ОК), вернее потомство (от ОВ), характеризуется достаточной выравненностью.
В выделенном рядке (OR) прежде всего отбирают около 10-20 колосьев (ОК), оставшиеся растения убирают и обмолачивают все вместе. Учет урожая отобранного рядка не даст достоверных данных, так как потомство не было высеяно в повторностях; поэтому зерно только осматривают, оставляя для посева OR, имеющие больше всего хорошо выполненных семян. Количества семян от отобранных рядков достаточно для закладки в питомнике предварительного испытания (РО) первых линий на делянках площадью 2,5 м2 в 2-4 повторностях. Отобранные 10-20 колосьев обмолачивают отдельно и семена с каждого колоса высевают рядками (1м Х 20см) в питомнике испытания на гомозиготность (ТН) (см. метод педигри).
Из рядков расщепляющегося поколения F3 на основе критериев, определенных моделью, отбирают лучшие растения (ОВ) или лучшие колосья (ОК). Перед посевом зерно осматривают, оставляя только ОВ и ОК, имеющие много хорошо выполненных семян.
Поскольку поколение F4 уже на 82,5% гомозиготно, ОК и ОВ высевают раздельно на делянках длиной не 2, а только 1 м в 3-5 рядков при расстоянии между рядками 20 см и между семенами в рядке 1-2 см. Густота растений при таком способе посева приближается к условиям, характерным для производственных посевов, хотя почти всегда наполовину меньше обычной.
Согласно данной схеме отбора, выделенные в F4 рядки (OR) или линии, находящиеся в предварительном испытании (РО), представляют собой первый тест на урожайность. Чтобы данные по этому показателю лучше отражали генетический потенциал продуктивности отобранных линий, применяют способы и густоту посева, а также агротехнику возделывания, приближенные к широко принятым в условиях производства. Недостаток семян обусловливает увеличение числа повторностей (2-4) и уменьшение размера делянок (размеры основной делянки 2,5 м2 при пяти рядках по 2,5 м с междурядьями 20 см), плотность посева 500-600 взошедших семян на 1 м2. Что касается агротехники, то применяют очень интенсивные приемы возделывания, т.е. те, что широко используются в условиях производства: основное количество вносимого азота 130-150 кг/га, борьба с сорняками. Первые линии (L) изучают в предварительном испытании в сравнении с 2-3 стандартными сортами. Это ведущие в стране сорта по урожайности, одновременно служащие стандартами по качеству. К ним относятся используемые в последние годы Sava, Novosadska rana 2 и Partizanka.
Линии, находящиеся в предварительном испытании (РО), оценивают на морозостойкость (в холодильных камерах) и по качественным показателям (использование микрометода для определения содержания клейковины, процентного состава белка и величины седиментации). Учитывая данные этих анализов и результаты полевых наблюдений, лучшие по урожайности линии и одинаковые со стандартными сортами линии отбирают для сравнительных испытаний. Однако семена для посева берут не из предварительного испытания (РО), а из теста на гомозиготность (ТН), т.е. от отдельных рядков ОК и ОВ, взятых еще до закладки РО. На основе анализа ТН (при условии, что внутри рядков не было расщепления и все рядки были одинаковыми) берут семена от всех ОВ или ОК для посева выделенных линий в сравнительном испытании (КО). Если между отдельными рядками существуют различия, отобранную на основе урожайности линию из РО разбивают в ТН на 2-3 подлинии и учитывая, что семян недостаточно для сравнительного испытания, вновь возвращают в предварительное испытание на урожайность.
Сравнительное испытание закладывают на делянках размером 5 м2 в пяти повторностях с междурядьями 10-15 см и высевом 600 семян/м2, что соответствует условиям обычного производства. Агротехника возделывания также очень интенсивная, следует указать только на внесение 130-150 кг/га азота и соответствующего количества фосфора и калия.
В сравнительном испытании линии доводят минимум до поколения F4 и максимум до F5 и последующих поколений. Каждая линия в сравнительном испытании находится не более трех лет, и затем, если она не удовлетворяет требованиям по урожайности и качеству, исключается из дальнейшей работы. Лучшие линии далее передают в комиссию по регистрации новых сортов для их утверждения и регистрации.
Описанная схема отбора по урожайности на основе модели фактически включает в себя отбор по компонентам урожая до поколения F4; с F4 идет уже прямой отбор на урожайность per se. Отличие данного метода от предлагаемых Фазоуласом, Шебески и Уэлшем заключается в том, что материал, поступающий первый раз из F3 или F4 в предварительное испытание, отбирают не на основе учета урожая, а только по типу растения и остальным параметрам, предусмотренным моделью. После этого линии отбирают по признаку урожая зерна (рис. 15.5).
Следующей характерной чертой описываемого метода является и то, что в F2 и F3, где происходит наиболее сильное расщепление генотипов, для снижения аллоконкуренции применяют разреженный посев; тем не менее для пшеницы как культуры плотного посева используют иную площадь питания, чем, например, для сои или кукурузы. В следующих за F4 поколениях, когда прорабатываемый материал в наибольшей степени гомозиготен, а эффект аллоконкуренции уже незначителен, посев проводят в условиях, близких к производственным. В F4 и дальнейших поколениях отбор проводят по рядку, т.е. потомству; при этом складывается общее впечатление, что в плотном посеве условия всегда ближе к таковым производственного посева, чем при проведении отбора в очень разреженном посеве. В 50-е и 60-е годы гибридный материал также выращивали в разреженном посеве с междурядьями 30 см и расстоянием между растениями в рядке 10 см. При таких условиях, особенно в ранних поколениях, развивались очень крупные и продуктивные колосья, поскольку наряду с аддитивным эффектом гена в сильной степени проявлялся и неаддитивный (доминантность и эпистаз), который в поздних поколениях пропадал. В результате значительную часть материала, на работу с которым уходило немало труда и времени, приходилось выбраковывать.
Что касается конкуренции между генотипами, то отбор материала из разреженного посева, а затем испытание его на урожайность в уплотненном посеве представляет не менее трех возможностей: генотипы, оказавшиеся лучшими в разреженном посеве, могут быть, во-первых, лучшими в уплотненном посеве, во-вторых, худшими в уплотненном посеве и, в-третьих, нейтральными. Если вероятность возникновения этих трех случаев одинакова, тогда треть отобранного материала выпадет из дальнейшей работы только потому, что отбор был проведен в разреженном посеве. Поэтому большинство селекционеров считает, что для культур, выращиваемых в густом посеве, отбор следует проводить не в очень разреженном посеве, а по возможности приближать его к условиям, в которых линии будут находиться в обычном производстве.
Именно из-за наличия различных возможностей конкуренции между растениями мы считаем, что учет продуктивности растения в рядковом посеве, применяемом нами в F2 и F3, не дал бы правильной картины ценности генотипа. Поэтому вместо учета продуктивности мы отдаем предпочтение отбору растений (ОВ) на основе модели и в особенности большего числа колосьев (ОК) в поколении, где, очевидно, будет находиться основная часть наиболее ценных генотипов.
Описанная схема отбора на урожайность позволяет работать с большим количеством комбинаций скрещиваний. Так, для пшеницы ежегодно проводится около 300-1000 скрещиваний. О значении числа проводимых комбинаций скрещиваний для успешного ведения селекции уже говорилось в главе 11. Здесь следует лишь отметить следующее: несмотря на преимущества методов Фазоуласа и Шебески при выделении лучших генотипов в F2 и F3, все-таки трудно доказать, что ежегодная работа приблизительно с 30 комбинациями скрещиваний, а затем испытания линий всего из двух-трех комбинаций (по Шебески) могут гарантировать такой же успех в создании новых сортов, как, например, работа с 100, 200 или приблизительно 500 комбинациями скрещиваний.
Отличие оценки на урожайность в предварительном испытании (РО) от оценки в сравнительном испытании (КО) заключается не столько в размерах делянки и числе повторностей, сколько в том, что любая линия в РО находится только один год. Если она удовлетворяет требованиям, ее передают в КО, в противном случае линию исключают из дальнейших испытаний. Линия, поступившая в КО, может испытываться на урожайность 1-3 года, но линия, исключенная из РО, в испытания не возвращается. Иногда интенсивность отбора различается по годам в зависимости от того, какие факторы окружающей среды оказываются в наибольшей степени лимитирующими. Например, в годы сильных эпифитотий мучнистой росы, ржавчины или фузариоза обычно приходится исключать большее число линий, чем в годы слабого поражения патогенами, и в этом случае большинство линий из РО поступает в КО. Тем не менее они могут быть исключены уже после одного года оценки в сравнительном испытании, если из-за болезней или полегания дают невысокий урожай по сравнению со стандартными сортами. Таких ситуаций можно избежать только изучением огромного числа линий в предварительном испытании (500-1000) и около 300-500 в сравнительном испытании.