Научная новизна. Впервые осуществлен скрининг генофонда гороха по эффективности взаимодействия с Rhizobium leguminosarum bv. viciae и микоризными грибами Glomus sp. Данные наблюдения имеют большое теоретическое значение, так как расширяют научные представления о взаимоотношениях растения-хозяина с полезной почвенной микрофлорой и способствуют дальнейшему развитию биологии и генетики развития растений.

Впервые разработаны методики оценки и способы отбора высокопродуктивных растений, обладающих повышенной симбиотической эффективностью, комплементарных определенному штамму клубеньковых бактерий, что позволяет ускоренно (в 2 раза) получать исходный материал для симбиотической селекции гороха.

Впервые на основании многолетних комплексных исследований теоретически обосновано и методически разработано новое направление селекции гороха на повышение симбиотической эффективности на основе симбиоза с клубеньковыми бактериями и микоризными грибами как целостной системы.

Впервые установлен характер изменчивости показателей симбиотической азотфиксации у гороха и закономерности их наследования при взаимодействии с ризобиями и микоризными грибами, что представляет определенный теоретический интерес для частной генетики и селекции гороха.

Впервые получены, не имеющие мировых аналогов, оригинальные линии гороха с рецессивным геном sym2, вступающие в высокоэффективный симбиоз со штаммами клубеньковых бактерий, несущими ген nodX, которые могут быть использованы в дальнейших фундаментальных и прикладных исследованиях.

Практическая значимость. С помощью разработанных оригинальных модификаций методов селекции генотипов гороха, комплементарных определенному штамму клубеньковых бактерий, а также способствующих повышению эффективности двух- и трехстороннего симбиоза, созданы линии гороха, которые были переданы в лабораторию генетики растительно-микробных взаимодействий ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии и включены в научные исследования.

Разработаны и предложены селекционерам методические рекомендации по селекции гороха на повышение симбиотической азотфиксации (2005).

Создана серия изогенных линий гороха, способных формировать высокую семенную продуктивность, используя потенциал двухстороннего (Норд sym2sym2, Битюг sym2sym2, Демон sym2sym2) и трехстороннего (л.99/1) симбиоза, что придает растениям принципиально новую трофическую функцию – использование атмосферного азота в качестве основного источника азотного питания. Данные линии представляют ценность для использования в практической селекции в качестве доноров гена sym2 и как перспективный исходный материал для селекции на урожайность, симбиотическую эффективность, устойчивость к полеганию, осыпанию семян, детерминантный тип роста стебля и другие признаки.

При использовании теоретических разработок автора и его участии в селекционных программах созданы и переданы на Государственное сортоиспытание новые высокоурожайные сорта гороха Юниор и Триумф.

Модельные системы, состоящие из охарактеризованных генотипов, созданные в результате представляемой работы, используются в международной кооперации научных исследований в области селекции гороха, а также взаимодействия растений и микроорганизмов.

Разработанные в процессе исследований методические подходы могут использоваться в учебных программах по биологии, генетике, селекции и микробиологии в высших и средних учебных заведениях.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Экспериментальное обоснование генетического полиморфизма гороха по эффективности использования симбиотической микрофлоры при формировании высокой продуктивности растений.

2. Особенности изменчивости и наследования признаков продуктивности и симбиотической эффективности у гороха при одновременной инокуляции ризобиями и микоризными грибами.

3. Методы комплементарной селекции гороха на повышение симбиотической эффективности, основанные на интрогрессии рецессивного гена sym2 в генотипы коммерческих сортов, серии отборов на безазотном фоне гибридных растений и дальнейшем использовании для их инокуляции штаммов ризобий с геном nodX или nodZ, способных использовать атмосферный азот в качестве основного источника азотного питания.

4. Способ ускоренного создания новых сортов гороха, способных используя взаимовыгодные взаимодействия с клубеньковыми бактериями и грибами Glomus sp. формировать высокий урожай и повышенное качество продукции.

5. Элементы технологии возделывания новых сортов гороха с высоким симбиотическим потенциалом.

6. Параметры экономической и биоэнергетической эффективности возделывания новых сортов гороха.

Апробация работы. Результаты настоящих исследований были неоднократно представлены и докладывались на областных, всесоюзных, всероссийских и международных совещаниях: на V и VI съездах Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (Москва, 1987; Минск, 1992); на I и II съездах Всероссийского общества генетиков и селекционеров (Саратов, 1994; Санкт-Петербург, 1999); на научно – теоретической конференции молодых ученых и аспирантов «Особенности продукционного процесса у зерновых бобовых и крупяных культур» (Орел, 1989); на научно – практической конференции «Научное обеспечение производства зернобобовых и крупяных культур» (Орел, 1992); на конференции «Аграрная наука - производству», посвященной 90-летию Самарского НИИСХ (Безенчук, 1993); на Международной научной конференции «Биологический и экономический потенциал зернобобовых, крупяных культур и пути его реализации» (Орел, 1997); на Международной конференции «Научные основы стабилизации производства продукции растениеводства» (Харьков, 1999); на Х Международном конгрессе по азотфиксации (Санкт – Петербург, 1995); на IХ Баховском коллоквиуме по азотфиксации (Москва, 1995); на I и II Европейских конференциях по азотфиксации (Сегед, 1995; Познань, 1996); на Международном “Mendel Centenary Congress” (Брно, 2000); на IУ Европейской конференции по зернобобовым культурам (Краков, 2001); на школе молодых селекционеров им. А.С. Кунакбаева (Уфа, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006); Х Международном конгрессе по растительно – микробным взаимодействиям (Санкт-Петербург, 2003).

Новые методы оценки и способы отбора генотипов апробированы при создании сортов гороха Юниор и Триумф; комплементарных пар: «Норд sym2sym2 – штамм Rhizobium leguminosarum bv. viciae A-1», «Битюг sym2sym2 – штамм Rhizobium leguminosarum bv. viciae A-1», «Демон sym2sym2 – штамм Rhizobium leguminosarum bv. viciae A-1»; подана заявка на изобретение.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 научных работ, в том числе 8 – в рецензируемых и 17 – в зарубежных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 280 страницах текста и состоит из введения, семи глав, выводов, предложений производству; содержит 68 таблиц, 46 рисунков. Список литературы включает 341 источник, в том числе 114 на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю благодарность директору ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН академику РАСХН, доктору биологических наук, профессору И.А.Тихоновичу; директору ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Зотикову В.И.; главному научному сотруднику ГНУ ВНИИЗБК, члену-корреспонденту РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Задорину А.Д.; доктору биологических наук, профессору Чекалину Н.М.; кандидатам сельскохозяйственных наук В.П. Орлову и И.Ф. Орловой; заведующему лабораторией генетики растительно – микробных взаимодействий ГНУ ВНИИСХМ РАСХН, доктору биологических наук А.Ю. Борисову; ведущему научному сотруднику лаборатории генетики и цитологии ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур РАСХН, доктору биологических наук, профессору С.Н. Агарковой за предоставленные консультации по обсуждаемым в данной работе вопросам, а соисполнителям научных исследований и коллективам лабораторий генетики и микробиологии ГНУ ВНИИЗБК РАСХН и генетики растительно – микробных взаимодействий ГНУ ВНИИСХМ РАСХН – за содействие в выполнении полевых, вегетационных и лабораторных опытов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

СИМБИОЗЫ БОБОВЫХ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

БИОЛОГИЧЕСКОЙ АЗОТФИКСАЦИИ ПУТЁМ СЕЛЕКЦИИ

(обзор литературы)

В обзоре литературы показано, что симбиоз бобовых с клубеньковыми бактериями и микоризными грибами является результатом сопряженной эволюции партнеров, а его эффективность зависит как от генотипа растения-хозяина, так и микросимбионта. Поэтому высокая симбиотическая эффективность может быть достигнута путем создания комплементарных сочетаний генотипов партнеров, для чего необходима их координированная селекция. Несмотря на большое количество данных, накопленных при изучении генетического контроля симбиотической азотфиксации как со стороны растения-хозяина, так и микросимбионта, вопрос о методических основах селекции бобовых на повышение симбиотической эффективности остается открытым. В литературных источниках слабо представлены результаты оценки изменчивости, наследуемости и комбинационной способности сортов по симбиотическим признакам и показателям. Селекция бобовых культур, в частности гороха, на повышение эффективности симбиотической азотфиксации практически не ведется.

На основании имеющихся в современной отечественной и зарубежной литературе данных делается вывод о необходимости разработки методических основ селекции на повышение эффективности симбиотической азотфиксации не только для повышения её результативности, но и для дальнейшего развития теоретических основ биологии и генетики и селекции.

УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Работа выполнена в 1985…2006 г.г. в лаборатории генетики и цитологии (с 2003 г. - лаборатории генетики и микробиологии) ГНУ ВНИИЗБК в условиях лесостепной зоны Центрально – Черноземного региона Российской Федерации.

Опытные посевы размещали после озимой пшеницы, высеваемой по черному пару.

Почвы опытных участков темно – серые лесные среднесуглинистые, подстилаемые лессовидным суглинком, средней окультуренности (содержание гумуса по Тюрину – 4,4…5,4 %, легкогидролизуемого азота по Кононовой – 125 мг/кг почвы, подвижного фосфора по Кирсанову – 195, обменного калия по Кирсанову – 179 мг/кг почвы, рН солевой вытяжки – 5,6…6,0, гидролитическая кислотность – 4,2…4,6 мэкв/100 г почвы).

Пахотный и метровый слои почвы характеризуются высокой водоудерживающей способностью (118 и 345 мм, соответственно). Возможные запасы доступной растениям влаги в слое 0 – 30 см – 88, а в метровом – 262 мм. Максимальная гигроскопическая влажность – 6,8…7,5 % от НПВ почвы, влажность устойчивого завядания – 9,6…13,3%.

Метеорологические условия периодов вегетации гороха (май-август) в годы исследований существенно различались: от засушливых (ГТК=0,74) до избыточно увлажненных (ГТК=2,50). Засушливыми в это время были 1992, 1999 и 2002 годы; слабо засушливыми – 1985, 1986, 1987, 1990, 1994, 1996, 2001, 2003 годы; достаточно увлажненными – 1988, 1989, 1991, 1995, 1998; 2003, 2004, 2005; избыточно увлажненными –1993, 1997, 2000, 2004, 2006 годы.

Объектом исследований являлись более 800 сортообразцов гороха (Pisum sativum L.) из мировой коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова, признаковой коллекции лаборатории селекции зернобобовых культур и генетической коллекции лаборатории генетики и цитологии ГНУ ВНИИЗБК, коллекции симбиотических мутантов ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, а также образцы из Центра генетических исследований зернобобовых культур Департамента сельского хозяйства США при Вашингтонском университете (табл.1).

В работе использованы полевой, вегетационный и лабораторный методы исследований.

В летний период эксперименты проводили в поле на делянках площадью 1,5…10 м2 в 4-х кратной повторности, размещение делянок рендомизированное; в осенне-зимний период - в теплице (интенсивность освещения 25…30 тыс. люкс, световой период 18/6 часов (день/ночь), температура днем и ночью составляла соответственно 220С и 180С.

Таблица 1 – Биологические и хозяйственно-ценные признаки сортообразцов гороха (среднее за 1985…2005 гг.)

Число образцов Вегетационный период, сутки Длина стебля, см Сухая масса растения, г Масса семян с растения,г. Число семян, шт/раст.