Прояв господарських ознак у гібридних поколіннях пшениці м’якої озимої за використання пшенично-житніх транслокацій у Правобережному Лісостепу

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук (доктора філософії) за спеціальністю 06.01.05 «Селекція і насінництво» (201 – Агрономія). – Миронівський інститут пшениці імені В. М. Ремесла Національної академії аграрних наук України, с. Центральне Миронівського району Київської області, 2020. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і практичне вирішення наукового завдання з виявлення особливостей створення вихідного матеріалу для селекції пшениці озимої за комплексом цінних господарських ознак шляхом залучення у схрещування сортів-носіїв пшенично-житніх транслокацій 1AL.1RS і 1BL.1RS, що має суттєве значення для генетичного поліпшення пшениці озимої класичним методом селекції в умовах Правобережного Лісостепу України. Актуальність теми обумовлено необхідністю вирішення проблеми збільшення генетичного різноманіття вихідного матеріалу, прояву цінних господарських ознак у гібридних поколіннях пшениці м’якої озимої за участі у схрещуваннях батьківських компонентів із пшенично-житніми транслокаціями. Максимальний рівень показника зав’язування зерен спостерігали у групі схрещувань сортів Легенда Миронівська 1BL.1RS / Калинова 1ВL.1RS (80,1 %), Експромт 1AL.1RS / Колумбія 1AL.1RS (69,2 %), Колумбія 1AL.1RS / Калинова 1BL.1RS (63,9 %), Легенда Миронівська 1BL.1RS / Експромт 1AL.1RS (60,9 %). Вплив батьківських компонентів, сортів-носіїв різних пшенично-житніх транслокацій на схрещуваність пшениці озимої не виявлено. При дослідженні характеру фенотипового успадкування виявлено значне варіювання показника ступеня домінування елементів продуктивності головного колоса у F1, від негативного (депресія) до позитивного (гетерозис) наддомінування, що свідчить про складний характер генетичної детермінації цінних селекційних ознак пшениці. Незалежно від погодних умов років досліджень виявлено гетерозисний ефект у групах схрещувань сортів: 1AL.1RS / 1BL.1RS – за висотою рослин, 1AL.1RS / 1AL.1RS – за довжиною головного колоса, 1BL.1RS / 1BL.1RS – за кількістю зерен із головного колоса та їх масою, що свідчить про можливість відібрати в наступних поколіннях трансгресивні форми пшениці озимої, які створені за участі сортів-носіїв пшенично-житніх транслокацій. Установлено, що в F1 груп схрещування 1AL.1RS / 1BL.1RS і 1BL.1RS / 1AL.1RS спостерігається депресія за ознакою інтенсивності ураження двома листковими хворобами: Erysiphe graminis DC. f. sp. tritici та Septoria tritici Rob. et Desm. Ці сорти є цінним вихідним матеріалом за стійкістю проти збудників хвороб пшениці. Максимальну кількість випадків перевищення рівня прояву за трьома показниками якості зерна пшениці (показник седиментації, вміст білка та сирої клейковина) у F1 над їх середнім значенням для обох батьків, а також у порівнянні з кращою батьківською формою (13 у 2016 р. і вісім у 2017 р.) визначено для групи схрещувань 1AL.1RS / 1BL.1RS. Сорти Експромт і Колумбія з пшенично-житньою транслокацією 1АL.1RS були кращими за якістю зерна в умовах обох років, і за їх участі створено більшу кількість високоякісних гібридів. Удосконалено спосіб використання ранньої діагностики жаростійкості для оцінки генотипів та добору серед них рослин з високим відсотком схожості зерна (83,5–98,0 %) за наступного їх дорощування у польових умовах. Визначено, що гібриди F1 групи схрещувань сортів з 1AL.1RS / 1BL.1RS транслокаціями мали вищий рівень морозостійкості у порівнянні із сортом Миронівська 808 – 55,6 % (2017 р.) і 63,1 % (2018 р.). Стандарт (сорт Подолянка) перевищували за часткою живих проростків (х = 67,0 %) гібридні комбінації: Золотоколоса / Колумбія (97,0 %), Колумбія / Легенда Миронівська (96,5 %), Колумбія / Калинова (94 %), Золотоколоса / Легенда Миронівська (83,5 %), де у популяціях за материнську форму залучено сорти (Золотоколоса, Колумбія) з пшенично-житньою транслокацією 1AL.1RS. Ступінь позитивних трансгресій за елементами продуктивності колоса у рослин F2 і F3 виявлено в 20,0 % гібридних популяцій пшениці озимої різних груп схрещувань сортів. У родоводі більшості комбінацій був присутній сорт інтенсивного типу Світанок Миронівський (1ВL.1RS), що підтверджує його високу селекційну цінність. Встановлено високі та середні позитивні достовірні коефіцієнти кореляції між елементами продуктивності головного колоса у рослин гібридів F3 пшениці озимої. Найбільших (r = 0,89; 0,90) значень цей показник сягав у групі схрещувань 1AL.1RS / 1AL.1RS. Виявлено найбільшу (38 %) частку трансгресивних популяцій F3 за комплексною стійкістю проти збудників хвороб Erysiphe graminis DC. f. sp. tritici, Puccinia recondita f. sp. tritici Rob. et Desm, Septoria tritici Rob. et Desm для групи схрещування сортів 1AL.1RS / 1BL.1RS. Найбільшою (31,6 %) кількістю позитивних трансгресій за якістю зерна в F3 характеризували групи схрещування сортів: 1AL.1RS / 1BL.1RS – за показником седиментації та 1ВL.1RS / 1AL.1RS – за вмістом білка. На основі класичного методу селекції створено вихідний матеріал за участі у родоводах сортів-носіїв пшенично-житніх 1BL.1RS і 1AL.1RS транслокацій із комплексом цінних ознак, який можна успішно використовувати у генетичному поліпшенні пшениці озимої в умовах Правобережного Лісостепу України та сорти із яких два включено до Державного реєстру сортів рослин, придатних для поширення в Україні – Естафета миронівська, МІП Валенсія; один проходить Державну кваліфікаційну експертизу в Українському інституті експертизи сортів рослин – МІП Фортуна. Приріст урожайності зерна сортів підвищив умовно чистий прибуток над стандартом від 3100 до 6975 грн/га. Наукова новизна одержаних результатів полягає у теоретичному обґрунтуванні і використанні сортів-носіїв пшенично-житніх транслокацій для проведення на їх основі різних груп схрещувань та вирішенні важливого наукового завдання із визначення прояву цінних господарських ознак у гібридних поколіннях пшениці м’якої озимої в умовах Правобережного Лісостепу України. Уперше: створено за участі сортів-носіїв пшенично-житніх транслокацій новий вихідний матеріал пшениці м’якої озимої; установлено успадкування в F1 елементів продуктивності, стійкості проти основних збудників хвороб пшениці (за використання штучного комплексного інфекційного фону патогенів) та показників якості зерна в гібридів, одержаних від різних груп схрещування сортів із пшенично-житніми транслокаціями; шляхом аналізу гібридів, одержаних від використання батьківських форм із пшенично-житніми транслокаціями за повною діалельною схемою, виявлено селекційні особливості ефектів загальної і специфічної комбінаційної здатності сортів; установлено у F2 та F3 рівень прояву позитивних трансгресій: за елементами продуктивності головного колоса; стійкістю проти збудників основних хвороб пшениці; визначено рівень прояву трансгресій за показниками якості зерна пшениці (показник седиментації і вміст білка) у F3; відібрано кращі комбінації схрещування за використання у родоводах сортів-носіїв пшенично-житніх транслокацій, які характеризуються цінними елементами продуктивності, показниками якості зерна та стійкістю проти абіо- та біотичних чинників довкілля. Удосконалено методичні підходи добору селекційного матеріалу пшениці м’якої озимої на штучних фонах морозо-, жаростійкості та групової стійкості проти основних збудників хвороб. Набули подальшого розвитку дослідження щодо розширення генетичного різноманіття вихідного матеріалу шляхом використання у схрещуваннях носіїв пшенично-житніх транслокацій для підвищення продуктивності пшениці м’якої озимої, виявлення закономірностей кореляції між елементами структури врожайності. У результаті виконання дисертаційної роботи створений селекційний матеріал пшениці м’якої озимої, який проходить подальше дослідження у селекційних розсадниках лабораторії селекції озимої пшениці Миронівського інституту пшениці імені В. М. Ремесла НААН України, та передано до наукових установ НААН України. Отримано у співавторстві два патенти на корисну модель: «Спосіб добору жаростійкого селекційного матеріалу пшениці м’якої озимої» і «Спосіб добору за комплексною стійкістю проти основних збудників хвороб пшениці м’якої озимої» та високоврожайні сорти пшениці м’якої озимої за використання у родоводах пшенично-житньої транслокації. Науково-дослідним селекційним установам рекомендовано: – при створенні селекційного матеріалу пшениці м’якої озимої за комплексом цінних господарських ознак залучати у схрещування сорти-носії пшенично-житніх транслокацій (Експромт, Колумбія, Золотоколоса (1AL.1RS), Легенда Миронівська, Світанок Миронівський (1ВL.1RS) у групі схрещування 1AL.1RS / 1BL.1RS; – використовувати у селекції пшениці м’якої озимої, штучні фони температурних режимів (за морозостійкістю, посухо- жаростійкістю) та комплексні інфекційні фони патогенів (за стійкістю проти основних збудників хвороб), які забезпечують ефективність добору за даними ознаками у поєднанні з продуктивністю; – для підвищення показників якості зерна пшениці м’якої озимої у схрещуваннях обов’язково використовувати, як батьківську форму, джерела, сорти-носії пшенично-житньої транслокації 1AL.1RS. Агроформуванням різних форм власності: – при виборі сортів пшениці м’якої озимої для вирощування у Лісостепу та Поліссі України використовувати сорти МІП Валенсія, Естафета миронівська і МІП Фортуна, які характеризуються комплексом цінних господарських ознак; – здійснювати розмноження насіння сортів пшениці МІП Валенсія, Естафета миронівська, які включено до Державного реєстру сортів рослин, придатних для поширення в Україні. The dissertation for scientific degree of Candidate of Agricultural Sciences (Philosophy Doctor) by specialty 06.01.05 «Breeding and Seed Growing» (201 – Agronomy). – The V. M. Remeslo Myronivka Institute of Wheat of National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine, Tsentralne village, Myronivka district, Kyiv region, 2020. In the dissertation there are given theoretical generalization and practical solution of scientific task on detection features of creating source material for bread winter wheat breeding for complex of valuable economical traits through involvement in crossing varieties-carriers of wheat-rye translocations 1AL.1RS and 1BL.1RS. It is essential for genetic improvement of winter wheat by classical breeding method in the conditions of the Right-Bank Forest Steppe of Ukraine. The urgency of the subject is due to the need to solve the problem of increasing genetic diversity of source material, manifestation of valuable economic traits in hybrid generations of bread winter wheat, when involving in the crosses parent components with wheat-rye translocations. Maximum level of seed setting ratio was observed in group of crossing the varieties Lehenda Myronivs’ka 1BL.1RS / Kalynova 1AL.1RS (80,1 %), Ekspromt 1AL.1RS / Kolumbiia 1AL.1RS (69,2 %), Kolumbiia 1AL.1RS / Kalynova 1BL.1RS (63,9 %), Lehenda Myronivs’ka 1BL.1RS / Ekspromt 1AL.1RS (60,9 %). The influence of paternal components, varieties-carriers of different wheat-rye translocations on winter wheat crossbreeding was not detected. When studying the nature of phenotypic inheritance of yield components of main spike, significant variation was established by index of dominance degree in F1, from the negative (depression) to positive (heterosis) overdominance, thus indicating about complex character of genetic determination of valuable breeding traits of wheat. Regardless of weather conditions of the years of the research, heterosis effect was found in the groups of crossing varieties: 1AL.1RS / 1BL.1RS by plant height, 1AL.1RS / 1AL.1RS by main spike length, 1BL.1RS / 1BL.1RS by grain number and grain weight per the main spike, which testifies to the possibility to select in the following generations transgressive forms of winter wheat which were created with the participation of varieties-carriers of wheat-rye translocations. It was established that in F1 in group of crossing varieties-carriers of 1AL.1RS / 1BL.1RS and 1BL.1RS / 1AL.1RS the depression was observed by the trait of intensity of infection with the causal agents of leaf diseases Erysiphe graminis DC. f. sp. tritici and Septoria tritici Rob. et Desm. These varieties are valuable source material for resistance against wheat disease. The maximum number of occurrences of exceeding manifestations of three wheat grain quality traits (sedimentation index, protein content, and raw gluten content) in F1 above their average mean for both parents, as well as compared to the best parental form (13 in 2016 and eight in 2017) was established for the crossing group 1AL.1RS / 1BL.1RS. The varieties Ekspromt and Kolumbiia with wheat-rye translocation 1АL.1RS were the best for grain quality in both years, and with their participation more high quality hybrids were created. The method of using early diagnostics of heat resistance for estimation of genotypes and selection of plants among them with high percentage of seed germination (83.5–98.0 %), when the seedlings then are grown in field conditions, has been improved. The F1 hybrids of the group of crossing varieties with 1AL.1RS / 1BL.1RS translocations were found to have higher frost resistance level as compared to the varirty Myronivs’ka 808 – 55.6 % (in 2017) and 63.1 % (in 2018). The standard (Podolianka variety) by the proportion of alive seedlings (x = 67.0 %) was exceeded with the hybrid combinations: Zolotokolosa / Kolumbiia (97.0 %), Kolumbiia / Lehenda Myronivs’ka (96.5 %), Kolumbiia / Kalynova (94 %), Zolotokolosa / Lehenda Myronivs’ka (83.5 %), in the populations of which the varieties (Zolotokolosa, Kolumbiia) with wheat-rye translocation 1AL.1RS were involved as the maternal form. Degree of positive transgressions by the elements of spike productivity in F2 and F3 plants was revealed in 20.0% of hybrid populations of bread winter wheat in different crossings groups. In the pedigree of the most of these combinations the variety of intensive type Svitanok Myronivs’kyi (1BL.1RS) was present thus confirming its high breeding value. High and average positive significant correlation coefficients between the elements of main spike productivity in plants of F3 hybrids of winter wheat were revealed. This index had the highest (r = 0.89; 0.90) values in the 1AL.1RS / 1AL.1RS crossing group. The highest (38 %) proportion of transgressive populations F3 with complex resistance against pathogens Erysiphe graminis DC. f. sp. tritici, Puccinia recondita f. sp. tritici Rob. et Desm, Septoria tritici Rob. et Desm was observed for the group of crossing varieties 1AL.1RS / 1BL.1RS. With the highest (31.6 %) ratio of positive transgressions by grain quality in F3 there were characterized the groups of crossing varieties 1AL.1RS / 1BL.1RS in terms of sedimentation index and 1ВL.1RS / 1AL.1RS in protein content. Based on the methods of classical breeding with participation in the pedigrees of varieties-carriers of wheat-rye 1BL.1RS and 1AL.1RS translocations there have been created the source material with a complex of valuable traits that can be successfully used in genetic improvement of winter wheat in the conditions of the Right-Bank Forest Steppe of Ukraine, as well as the varieties two of which Estafeta Myronivs’ka and MIP Valensiia were included in the State Register of Plant Varieties Suitable for Dissemination in Ukraine, one variety MIP Fortuna is under the State Qualification Examination at the Ukrainian Institute for Plant Variety Examination. The increase in grain yield of the varieties increased the net benefits above the standard of 3,100 to 6,975 UAH/ha. The scientific novelty of the results obtained is the theoretical substantiation and use of varieties-carriers of wheat-rye translocations for carrying out different groups of crossings on their basis and solving the important scientific task of determining the manifestation of valuable economic traits in hybrid generations of bread winter wheat in the conditions of the Right-Bank Forest Steppe of Ukraine. For the first time: new bread winter wheat source material has been created with the participation of wheat varieties-carriers of wheat-rye translocations; inheritance in F1 of elements of productivity, resistance against the main pathogens of wheat (by using artificial complex infectious background of the pathogens) and indicators of grain quality in hybrids obtained from different groups of crossing varieties with wheat-rye translocations; by analysis of hybrids obtained from the use of parental forms with wheat-rye translocations according to the complete diallelic scheme, the selection features of the effects of the general and specific combining ability of the varieties have been revealed; the level of manifestation of positive transgressions in F2 and F3 has been determined by the elements of performance of the main spike; resistance to pathogens of major wheat diseases; the level of transgression manifestation of wheat grain quality indicators (sedimentation index and protein content) in F3 has been estimated; when using in pedigrees varieties-carrier of wheat-rye translocations, the best crossbreeding combinations have been selected which are characterized by valuable productivity elements, grain quality indicators, and resistance to abio- and biotic environmental factors. Methodical approaches for selection of bread winter wheat breeding material on artificial frost-, heat resistance and group resistance against major pathogens have been improved. Research on expanding the genetic diversity of source material through the use of carriers of wheat-rye translocations in crossbreeding has been further developed to improve the productivity of bread winter wheat, to identify patterns of correlation between yield components. As a result of the dissertation, bread winter wheat breeding material has been created which is undergoing further research in the breeding nurseries at the winter wheat breeding laboratory of the V. M. Remeslo Myronivka Institute of Wheat of National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine and was submitted to scientific institutions of the National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine. Two patents for utility model were obtained in co-authorship: "Method of selection of heat-resistant breeding material of bread winter wheat" and "Method of selection for complex resistance against the main pathogens of bread winter wheat" and high-yielding bread winter wheat varieties with using in pedigree wheat-rye translocation have been created. It is recommended to research breeding institutions: – when creating bread winter wheat breeding material with complex of valuable economic traits, to involve in crossing the varieties-carrier of wheat-rye translocation (Ekspromt, Kolumbiia, Zolotokolosa (1AL.1RS), Lehenda Myronivs’ka, Svitanok Myronivs’ky (1BL.1RS) in group of crossing 1AL.1RS / 1BL.1RS; – to use in bread winter wheat breeding artificial backgrounds of temperature conditions (for frost resistance, drought and heat tolerance) and complex infectious backgrounds of pathogens (for resistance against major pathogens) which ensure the efficiency of selection for these traits in combination with productivity; – for improving grain quality of bread winter wheat to use in crossing necessarily as the parental form sources, varieties-carrier of wheat-rye translocation 1AL.1RS. Agro-enterprises of different property forms: – when choosing bread winter wheat varieties for cultivation in the Forest-Steppe and Polissia of Ukraine, to give preference to the varieties MIP Valensiia, Estafeta Myroniv’ska and MIP Fortuna which are characterized by a complex of valuable economical traits; – to reproduce seeds of winter wheat varieties MIP Valensiia, Estafeta Myroniv’ska which are included in the State Register of Plant Varieties Suitable for Dissemination in Ukraine.