Інститут рОСЛИННИЦТВА ім. В.Я. Юр’єва УААН

ДІДЕНКО СВІТЛАНА ЮРІЇВНА

УДК 635.656.631.527

ОСОБЛИВОСТІ СЕЛЕКЦІЙНОГО ВИКОРИСТАННЯ ГЕНІВ

СТРУКТУРИ ЕНДОСПЕРМУ КУКУРУДЗИ ДЛЯ ПОЛІПШЕННЯ ЯКОСТІ КРОХМАЛЮ

06.01.05 – селекція рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Харків – 2006

Дисертацією

є рукопис

Робота виконана

в Інституті рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН

Науковий керівник – кандидат біологічних наук,

старший науковий співробітник

Тимчук Сергій Михайлович,

Інститут рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН,

провідний науковий співробітник лабораторії генетики і біотехнології

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук,

старший науковий співробітник

Бєлоусов Анатолій Олександрович,

Селекційно-генетичний інститут –

Національний центр насіннєзнавства і сортовивчення,

завідувач лабораторії

генетико-біологічних методів селекції кукурудзи

кандидат сільськогосподарських наук,

старший науковий співробітник

Чупіков Микола Михайлович,

Інститут рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН,

завідувач лабораторії селекції і насінництва кукурудзи

Провідна установа: Інститут зернового господарства УААН, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 24.10. 2006 р. о 13 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.366.01 при Інституті рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН за адресою: 61060, м.Харків, проспект Московський 142, тел. (057)392-23-78

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН, м.Харків, проспект Московський 142.

Автореферат розісланий 06.09.2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Петренкова В.П.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз міжнародного досвіду розробки проблеми свідчить, що надійне забезпечення високої якості крохмалю залежить, насамперед, від з’ясування систем та механізмів її генетичної регуляції.

На даний час у кукурудзи ідентифіковано серію моногенних мутацій, які викликають істотний перерозподіл співвідношень між лінійними і розгалуженими сополімерами крохмалю. Однак до цього часу не можна вважати повністю встановленими плейотропний ефект крохмальмодифікуючих мутантних генів кукурудзи за іншими ознаками якості зерна та продуктивністю, експресивність цих генетичних факторів в різних погодних умовах вирощування, умовах різних генотипів та впродовж розвитку насіння, а також характер успадкування господарсько цінних ознак гібридами на основі крохмальмодифікуючих мутацій.

Вирішення цих питань є актуальною проблемою генетики і селекції, від цього залежить результативність створення національних гібридів, що максимально пристосовані для отримання високоякісних крохмалів та супутніх продуктів промислової переробки зерна кукурудзи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН за завданням 01.05 № Держреєстрації 0101U006143 Науково - технічних програм "Теоретичні основи селекції сільськогосподарських культур" та “Генетичні ресурси рослин” а також ініціативним проектом "Встановити системи генетичної регуляції синтезу вищих поліцукридів у зернових культур і створити на цій основі імпортозамінні джерела високоякісних рослинних крохмалів" (номер Держреєстрації 0104 U 002734).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було визначення біохімічного ефекту крохмальмодифікуючих мутантних генів кукурудзи та характеру успадкування ознак якості зерна і продуктивності гібридами на основі крохмальмодифікуючих мутацій.

Для досягнення поставленої мети вирішували такі завдання:

-

-

-

-

-

2

-

Об’єкт дослідження. Генетична регуляція вмісту та фракційного складу крохмалю в зерні кукурудзи.

Предмет дослідження. Біохімічний ефект крохмальмодифікуючих мутантних генів кукурудзи і успадкування основних господарсько цінних ознак гібридами на їх основі.

Методи дослідження. Методи польового досліду, генетичний аналіз, біохімічний аналіз, статистичний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше в Україні встановлено, що утворення амілопектинових крохмалів носіями рецесивних гомозигот wx має фіксований характер, незалежне від генотипу рекурентної батьківської форми та погодних умов вирощування і успадковується як практично якісна ознака. Встановлено, що вміст амілози в крохмалях носіїв рецесивних гомозигот su2 та ae є результатом взаємодії цих локусів з полігенними комплексами, він дуже залежить від впливу погодних умов вирощування і успадковується з істотним вкладом в дисперсію адитивних ефектів. Визначено диференційну експресію високоамілозних мутантних генів кукурудзи, ефект яких найбільш чітко виявляється на ранніх етапах розвитку насіння (до 40 доби після запилення). Встановлено відсутність плейотропного ефекту мутації wx за вмістом, фракційним та амінокислотним складом білка, вмістом крохмалю, вмістом та жирнокислотним складом олії. Визначено, що підвищення вмісту амілози в крохмалях носіїв мутацій su2 та ae супроводжується зниженням вмісту крохмалю і підвищенням вмісту незамінних амінокислот в білку. Набула подальшого розвитку технологія створення нового вихідного матеріалу для селекції гібридів з генетично поліпшеною якістю крохмалю шляхом гібридизації джерел крохмальмодифікуючих мутантних генів з неспорідненими за походженням лініями звичайного типу.

Практичне значення одержаних результатів. Внаслідок проведених досліджень виділено інбредні лінії з крохмалями амілозного та амілопектинового типів з високими та стабільними за роками ефектами комбінаційної здатності щодо продуктивності та основних показників якості зерна. Ідентифіковано серію гібридів, які відрізняються від традиційних поліпшеною якістю крохмалю та підвищеним вмістом білка і олії. Створено 30 нових генетичних джерел крохмалів амілозного та амілопектинового типів. Виділений в ході виконання досліджень вихідний матеріал передано до фондів Національного центру генетичних ресурсів рослин України і включено в програму досліджень Південного біотехнологічного центру (м. Одеса), до селекційних програм Синельниківської дослідної станції. Крохмаль експериментально отриманих восковидних гібридів проходить вивчення в Харківському державному університеті харчування і торгівлі.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в узагальненні спеціальної літератури, проведенні польових випробувань інбредних

ліній та гібридів на основі крохмальмодифікуючих мутацій, визначенні біохімічного складу зерна їх носіїв, аналізі і узагальненні експериментальних даних, а також практичному створенні нового вихідного матеріалу для селекції гібридів з генетично

3

поліпшеною якістю крохмалю. Частка участі здобувача в наукових роботах, що опубліковано у співавторстві, складає 30-60%.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи оприлюднені на засіданнях вченої ради Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН у 2000-2004 рр.; Всеукраїнській конференції молодих вчених "Агроекологія як основа стабільності сільського господарства" (Харків, 2000); Міжнародній конференції молодих вчених "Рослина і середовище" (Харків, 2001), Міжнародних конференціях молодих вчених "Современные проблемы генетики, биотехнологии и селекции растений" (Харків, 2001, 2003), Міжнародній конференції "Актуальные вопросы современного естествознания" (Симферополь, 2003), ХІ та ХІІІ Міжнародних конференціях по крохмалю (Москва, 2003, 2005).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано в 13 друкованих наукових працях, серед яких - 7 статей, 3 з них - у виданнях, затверджених ВАК України як фахові з сільськогосподарських наук і 6 тез наукових доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота містить вступ, 6 розділів, висновки, пропозиції для селекційної практики, список використаних джерел і додатки. Робота викладена на 197 сторінках тексту комп’ютерного набору, в тому числі 166 сторінках основного тексту, ілюстрована 53 таблицями, 10 рисунками і 7 додатками. Список використаних джерел налічує 265 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

КОМПЛЕКС ПОЛІСАХАРИДІВ ЗЕРНА, ЙОГО ГЕНЕТИЧНА РЕГУЛЯЦІЯ ТА МЕТОДИ СЕЛЕКЦІЙНОГО ПОЛІПШЕННЯ (ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ)

Аналіз численних літературних даних свідчить про суперечливість інформації з проблеми використання в практичній селекції біохімічного ефекту генів структури ендосперму зерна кукурудзи та про відсутність технологій створення вихідного матеріалу з генетично обумовленою покращеною якістю крохмалю, що сприяло зосередженню досліджень на цих пріоритетних питаннях.

УМОВИ, МАТЕРІАЛ І МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

Польові дослідження проведені в 2000 – 2004 рр. на дослідних полях Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр`єва УААН, які розташовані в Харківському районі Харківської області в північно-східній частині Лівобережного Лісостепу України.

Погодні умови під час проведення дослідів відрізнялися нестабільністю режимів температур і опадів, що цілком відображає регіональні особливості і дає змогу об`єктивно оцінити експериментальний матеріал за всіма розділами дисертаційної роботи.

4

Вихідним матеріалом для досліджень були 8 ліній – носіїв рецесивних гомозигот wx, 8 ліній – носіїв рецесивних гомозигот su2 та 1 лінія – носій рецесивних гомозигот ае із генетичної колекції кукурудзи відділу генетики Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр’єва УААН. Ідентифікацію алельного стану мутантних генів структури ендосперму здійснювали за фенотипом насіння. Генетичний аналіз ознак якості зерна та продуктивності проводили на серії гібридів двох діалельних схем схрещувань другого методу Гріфінга. Біохімічні аналізи виконували в лабораторії якості зерна та секторі біохімічної генетики Інституту рослинництва ім. В.Я. Юр'єва УААН. Вміст білка в зерні визначали титриметричним напівмікрометодом К`єльдаля, вміст олії в зерні - гравіметричним методом С.В.Рушковського, вміст крохмалю в зерні поляриметричним методом Еверса, вміст амілози в крохмалі - колориметричним методом Джуліано. Фракційний склад білка аналізували методом Т.Осборна шляхом ступінчастої екстракції білкових фракцій 1М KCl, 70% етанолом та 0,2n NaOH з наступним визначенням азоту білкових фракцій за К'єльдалем. Амінокислотний склад білка визначали методом іонообмінної хроматографії кислотних гідролізатів білка на аналізаторі "Alpha–Plus М– 4154”. Вміст триптофану аналізували колориметричним методом за реакцією лужних гідролізатів білка з п-диметиламінобензальдегідом. Жирнокислотний склад олії аналізували модифікованим газохроматографічним методом Пейскера. Статистичну обробку отриманих результатів здійснювали методами варіаційного, дисперсійного та коваріаційного аналізу. Генетичну природу крохмальмодифікуючих мутацій встановлювали за допомогою критерію Пірсона. Визначення ефектів комбінаційної здатності і генетичних компонентів дисперсії здійснювали з використанням алгоритму Хеймана. Статистичну обробку дослідних даних проводили за допомогою пакета статистичних прикладних програм "OSGE", розробленого відділом генетики Інституту рослинництва ім. В.Я.Юр'єва УААН.

ПЛЕЙОТРОПНИЙ ЕФЕКТ КРОХМАЛЬМОДИФІКУЮЧИХ МУТАНТНИХ ГЕНІВ ЕНДОСПЕРМУ КУКУРУДЗИ

Серед основних крахмалоносних культур України найбільшим вмістом крохмалю в зерні характеризується кукурудза. Але розмах мінливості фракційного складу крохмалю в зерні ліній і гібридів традиційного типу є недостатнім для отримання крохмалів зі специфічними властивостями. Найбільш перспективним способом перерозподілу співвідношення між амілозою і амілопектином є використання ефекту мутантних генів структури ендосперму, зокрема wx, su2 та ае.

Було вивчено плейотропний ефект цих генів за продуктивністю та основними ознаками якості зерна кукурудзи (табл. 1, 2). Мутація wx викликала утворення крохмалів, що майже повністю складались з амілопектину, а мутації su2 та ае підвищували рівень амілози в крохмалі в 2 - 2,5 раза. Мутація wx не викликала плейотропного ефекту за ознаками продуктивності та якості зерна. Носії мутації su2 характеризувалися зниженим (порівняно зі звичайною лінією) вмістом крохмалю в зерні.

5

Таблиця 1

Статистичні параметри мінливості продуктивності, вмісту в зерні білка, крохмалю, олії та амілози у ліній кукурудзи - носіїв мутації wx ( 2000-2002 рр.)

Ознаки | Рік | Розмах мінливості | x ± sx | V ± sv

Продуктивність, г зерна з рослини | 2000 | 54,2- 82,3 | 66,4± 3,6 | 15,1± 3,9

2001 | 53,4- 73,4 | 63,1± 2,3 | 10,3± 2,6

2002 | 58,6- 79,0 | 66,2± 2,4 | 10,2± 2,6

Вміст білка в зерні, % | 2000 | 10,1- 12,5 | 11,1± 0,3 | 7,1± 1,8

2001 | 10,9- 12,8 | 12,0± 0,2 | 5,2± 1,3

2002 | 11,1- 13,3 | 12,4± 0,3 | 5,8± 1,5

Вміст олії в зерні, % | 2000 | 5,1- 6,7 | 5,8± 0,2 | 10,6± 2,7

2001 | 5,2- 6,4 | 5,7± 0,2 | 8,0± 2,0

2002 | 5,1- 6,5 | 5,5± 0,2 | 9,9± 2,5

Вміст крохмалю

в зерні, % | 2000 | 62,1- 63,4 | 62,6± 0,2 | 0,7± 0,2

2001 | 62,3- 64,6 | 63,2± 0,3 | 1,2± 0,3

2002 | 64,0- 65,2 | 64,5± 0,2 | 0,7± 0,2

Вміст амілози в

крохмалі, % | 2000 | 1,0- 1,1 | 1,0± 0,1 | 4,3± 1,1

2001 | 0,8- 1,0 | 0,9± 0,1 | 6,0± 1,5

2002 | 0,8- 0,9 | 0,8± 0,1 | 5,5± 1,4

Таблиця 2

Статистичні параметри мінливості продуктивності і основних ознак якості зерна у ліній кукурудзи - носіїв мутації su2 ( 2000-2002 рр.)

Ознаки | Рік | Розмах мінливості | x ± sx | V ± sv

Продуктивність, г зерна з рослини | 2000 | 56,4- 75,0 | 64,4± 2,2 | 9,8± 2,5

2001 | 48,1- 64,0 | 55,4± 2,3 | 11,9± 3,0

2002 | 52,8- 67,1 | 59,5± 2,2 | 10,4± 2,6

Вміст білка в зерні, % | 2000 | 12,0- 13,6 | 12,8± 0,3 | 5,7± 1,4

2001 | 11,9- 14,5 | 13,2± 0,3 | 7,1± 1,8

2002 | 12,5- 14,2 | 13,3± 0,2 | 4,9± 1,2

Вміст олії

в зерні, % | 2000 | 5,0- 5,6 | 5,3± 0,1 | 3,5± 0,9

2001 | 4,6- 5,6 | 5,2± 0,1 | 6,7± 1,7

2002 | 4,9- 6,0 | 5,3± 0,1 | 6,8± 1,7

Вміст крохмалю в зерні, % | 2000 | 55,4- 58,6 | 56,9± 0,4 | 1,8± 0,5

2001 | 53,4- 58,3 | 56,3± 0,6 | 3,1± 0,8

2002 | 55,2- 57,2 | 56,4± 0,3 | 1,4± 0,4

Вміст амілози в крохмалі, % | 2000 | 42,9- 46,9 | 45,0± 0,5 | 3,1± 0,8

2001 | 42,5- 51,9 | 46,6± 1,2 | 7,1± 1,8

2002 | 44,0- 50,5 | 47,0± 0,9 | 5,2± 1,3

6

КОМБІНАЦІЙНА ЗДАТНІСТЬ ЛІНІЙ ВОСКОВИДНОЇ КУКУРУДЗИ ТА ГЕНЕТИЧНІ КОМПОНЕНТИ ДИСПЕРСІЇ ЗА ПРОДУКТИВНІСТЮ І ОСНОВНИМИ ОЗНАКАМИ ЯКОСТІ ЗЕРНА

Для визначення характеру успадкування восковидними гібридами продуктивності та основних ознак якості зерна вивчали комбінаційну здатність ліній восковидної кукурудзи та генетичні компоненти дисперсії за цими ознаками (табл. 3).

Таблиця 3

Комбінаційна здатність ліній кукурудзи-носіїв мутації wx та генетичні

компоненти дисперсії за продуктивністю та вмістом крохмалю в зерні

(2001 – 2002 рр.)

Лінії | Продуктивність | Вміст крохмалю

ефекти ЗКЗ | варіанси СКЗ | ефекти ЗКЗ | варіанси СКЗ

2001 | 2002 | 2001 | 2002 | 2001 | 2002 | 2001 | 2002

ВК-16 | - 6,13 | - 8,45 | 78,61 | 139,86 | - 0,28 | 0,00 | 0,98 | 0,61

ВК-36 | 1,75 | - 2,53 | 148,73 | 200,80 | 0,16 | 0,14 | 0,89 | 0,50

ВК-69 | 1,54 | 2,13 | 112,79 | 130,03 | 0,50 | 0,30 | 0,87 | 0,52

ВК-38 | - 1,81 | - 1,07 | 101,33 | 93,00 | 0,17 | - 0,06 | 1,11 | 0,56

ВК-19 | - 2,22 | 9,02 | 95,85 | 293,59 | 0,11 | - 0,13 | 1,39 | 0,68

ВК-11 | - 0,31 | 1,14 | 148,77 | 385,57 | - 0,28 | - 0,16 | 1,21 | 0,63

ВК-64 | 9,63 | 1,87 | 295,97 | 243,39 | - 0,08 | - 0,15 | 1,36 | 0,74

ВК-13 | - 2,46 | - 2,14 | 240,01 | 269,52 | - 0,31 | 0,05 | 1,37 | 0,72

НІР 05 | 2,99 | 3,26 | 0,14 | 0,16

Н1/D | 37,68 | 55,80 | 19,84 | 37,04

а | - 7,47 | - 19,06 | - 1,50 | - 0,86

b | 0,07 | 0,05 | 0,58 | 0,58

За сукупними оцінками ефектів ЗКЗ та констант СКЗ, виділились лінії ВК – 69 та ВК – 64, які за обидва роки досліджень мали позитивні ефекти ЗКЗ та досить високі значення констант СКЗ за продуктивністю.

За обидва роки випробувань тип успадкування продуктивності міг бути кваліфікований як позитивне наддомінування, однак оцінка генетичних компонентів дисперсії свідчить про невідповідність систем її генетичної регуляції адитивно-домінантній моделі. На наш погляд, це пов’язано із високим ступенем інтегрованості даної ознаки.

За вмістом крохмалю в зерні позитивними ефектами ЗКЗ в умовах 2001 року відрізнялись лінії ВК – 36, ВК – 69, ВК – 38 та ВК – 19, а в умовах 2002 року – ВК – 36, ВК – 69, та ВК – 13 (див. табл. 3). Таким чином, тільки дві лінії – ВК – 36 та ВК – 69 забезпечували стабільно високі ефекти ЗКЗ за обидва роки випробувань.

Варіанси СКЗ всіх ліній восковидної кукурудзи в умовах 2001 року були вищими, ніж в умовах 2002 року, а найбільш високі варіанси СКЗ за дворічними оцінками виявили лінії ВК – 38, ВК – 19, ВК – 11 та ВК – 64.

7

Успадкування вмісту крохмалю в зерні проходило за типом позитивного наддомінування, і всі гібриди експериментальної вибірки перевершували за цією ознакою обидві батьківські форми. Система контролю генетичної регуляції вмісту крохмалю в зерні наближалася до адитивно–домінантної моделі, хоча оцінки генетичних компонентів дисперсії не виключають можливості епістатичних взаємодій між полігенами.

За вмістом білка в зерні позитивними ефектами ЗКЗ в умовах 2001 року відрізнялись лінії ВК – 16, ВК – 11 та ВК – 13, а в умовах 2002 року – лінії ВК – 19, ВК – 11 та ВК – 64.

Тип успадкування вмісту білка в зерні гібридами восковидної кукурудзи може бути кваліфіковано як негативне наддомінування або неповне домінування гіршої батьківської форми. За оцінками генетичних компонентів дисперсії тип генетичної регуляції ознаки наближався до адитивно-домінантної моделі. Переважний вклад в дисперсію ознаки вносили ефекти домінування.

В умовах 2001 року позитивні ефекти ЗКЗ за вмістом олії в зерні виявили лінії ВК – 38, ВК – 19 та ВК – 13, однак в умовах 2002 року вони були підтверджені тільки для ліній ВК – 38 та ВК – 19. Тип генетичної регуляції вмісту олії наближався до адитивно-домінантної моделі, переважний вклад в дисперсію ознаки вносили адитивні ефекти.

За узагальненими оцінками сукупності господарсько цінних ознак серед гібридів восковидної кукурудзи можна виділити: ВК – 69 х ВК – 64, ВК – 11 х ВК – 64 та ВК – 64 х ВК – 13, які характеризувались стабільно підвищеною за роками продуктивністю та рівнем основних ознак якості зерна. Високим та досить стабільним рівнем вмісту крохмалю відрізнялись гібриди ВК – 69 х ВК – 19 та ВК – 19 х ВК – 64, однак їх продуктивність сильно коливалась залежно від погодних умов вирощування. Крім того, результати імунологічних випробувань вказують на можливість виділення гібридів восковидної кукурудзи із високою стійкістю до основних фітопатогенів.

КОМБІНАЦІЙНА ЗДАТНІСТЬ ЛІНІЙ ВИСОКОАМІЛОЗНОЇ КУКУРУДЗИ НА ОСНОВІ МУТАЦІЇ SU2 ТА ГЕНЕТИЧНІ КОМПОНЕНТИ ДИСПЕРСІЇ ЗА ПРОДУКТИВНІСТЮ І ОЗНАКАМИ ЯКОСТІ ЗЕРНА

У дослідах зареєстровано істотні відмінності загальної та специфічної комбінаційної здатності ліній високоамілозної кукурудзи на основі мутації su2 за продуктивністю та основними ознаками якості зерна (табл. 4). За сукупними оцінками ефектів ЗКЗ та констант СКЗ щодо продуктивності можна виділити лінії АС – 70, АС – 62 та АС – 64, які за обидва роки досліджень мали високі та стабільні показники комбінаційної здатності. Саме ці лінії можна визнати перспективним вихідним матеріалом для селекції високоамілозної кукурудзи на продуктивність.

За обидва роки випробувань тип успадкування продуктивності гібридами високоамілозної кукурудзи наближався до позитивного наддомінування, хоча повної адекватності системи генетичної регуляції цієї ознаки адитивно-домінантній моделі у дослідах зареєстровано не було.

8

Таблиця 4

Комбінаційна здатність ліній кукурудзи-носіїв мутації su2 та генетичні

компоненти дисперсії за продуктивністю, вмістом крохмалю в зерні

та амілози в крохмалі (2001 – 2002 рр.)

Лінії | Продуктивність | Вміст крохмалю | Вміст амілози

в крохмалі

ефекти ЗКЗ | варіанси СКЗ | ефекти ЗКЗ | варіанси СКЗ | ефекти ЗКЗ | варіанси СКЗ

2001 | 2002 | 2001 | 2002 | 2001 | 2002 | 2001 | 2002 | 2001 | 2002 | 2001 | 2002

АС-70 | 1,60 | 3,29 | 151,32 | 106,30 | - 0,08 | - 0,56 | 2,06 | 1,26 | - 0,59 | - 1,17 | 0,68 | 0,82

АС-43 | - 1,31 | - 2,48 | 213,72 | 152,16 | - 1,24 | - 0,83 | 2,91 | 1,95 | 1,44 | 1,53 | 0,48 | 0,58

АС-62 | 3,80 | 4,24 | 161,36 | 111,36 | 0,59 | 0,28 | 1,70 | 2,18 | - 1,54 | - 0,20 | 0,06 | 0,49

АС-38 | - 4,87 | - 1,96 | 73,17 | 142,37 | - 0,86 | 0,07 | 3,80 | 2,74 | 1,78 | 0,85 | 1,45 | 1,15

АС-92 | 1,60 | - 0,21 | 124,64 | 100,95 | - 0,43 | 0,30 | 2,53 | 2,15 | 0,49 | - 0,47 | 1,04 | 0,41

АС-64 | 1,17 | 4,07 | 113,25 | 150,74 | 0,89 | - 0,18 | 2,43 | 3,13 | - 0,61 | 1,40 | 0,68 | 0,92

АС-28 | - 1,22 | - 2,81 | 149,87 | 112,58 | 0,42 | 0,36 | 3,75 | 2,17 | 0,14 | - 0,68 | 1,45 | 0,29

АС-16 | - 0,77 | - 4,13 | 193,06 | 134,41 | 0,71 | 0,55 | 2,37 | 2,22 | - 1,12 | - 1,25 | 0,72 | 0,09

НІР 05 | 2,74 | 2,86 | 0,15 | 0,17 | 0,40 | 0,17

H1/D | 34,82 | 39,06 | 8,34 | 37,02 | 0,65 | 0,52

a | - 179,22 | - 175,39 | - 3,66 | - 1,67 | 0,99 | 1,16

b | 0,63 | 0,67 | 0,73 | 0,33 | 0,95 | 0,76

Позитивними ефектами ЗКЗ за вмістом крохмалю в зерні за обидва роки випробувань відрізнялися лінії АС – 62, АС – 28 та АС – 16. У ліній АС – 38, АС – 92 та АС – 64 ці ефекти істотно залежали від погодних умов вирощування, а лінії АС – 70 та АС – 43 за обидва роки випробувань виявили низькі ефекти ЗКЗ.

Варіанси СКЗ більшості ліній високоамілозної кукурудзи були більшими в умовах 2001 року і тільки дві лінії – АС – 62 та АС – 64 в умовах 2002 року мали більші варіанси СКЗ. Лінії АС – 38, АС – 64 та АС – 28 характеризувались найвищими константами СКЗ. Стабільність констант СКЗ за роками продемонстрували лінії АС – 92 та АС – 16.

Успадкування вмісту крохмалю в зерні проходило за типом позитивного наддомінування і всі гібриди експериментальної сукупності перевершували за цією ознакою обидві батьківські форми. Тип генетичної регуляції вмісту крохмалю в

9

зерні в умовах 2001 року наближався до адитивно–домінантної моделі, тоді як в умовах 2002 року він, швидше, свідчив про існування епістатичних взаємодій між полігенами.

Позитивними ефектами ЗКЗ за вмістом амілози в крохмалі за обидва роки досліджень характеризувалися лінії АС – 43 та АС – 38. У ліній АС – 92, АС – 64 та АС – 28 ці ефекти принципово змінювалися залежно від погодних умов вирощування. Лінія АС – 38 за обидва роки досліджень виявила високий і стабільний рівень констант СКЗ. Тип успадкування вмісту амілози в крохмалі наближався до адитивно–домінантної моделі Хеймана і переважний вклад в дисперсію ознаки вносили адитивні ефекти.

Оцінки комбінаційної здатності інбредних ліній – носіїв рецесивних гомозигот su2 свідчать, що за ознакою вмісту білка в насінні високі та стабільні ефекти ЗКЗ виявили лінії АС – 43 та АС – 38, у ліній АС – 92 та АС – 64 ці ефекти змінювалися залежно від погодних умов вирощування. Найбільш високі та стабільні за роками варіанси СКЗ щодо вмісту білка в зерні було встановлено у ліній АС – 43, АС – 38, АС – 92 та АС – 64. Тип генетичної регуляції вмісту білка в зерні високоамілозної кукурудзи на основі мутації su2 був дуже близьким до адитивно-домінантної моделі. Успадкування ознаки здійснювалося за типом повного або неповного домінування гіршої батьківської форми і переважний вклад в дисперсію ознаки вносили саме ефекти домінування. Всі без винятку гібриди високоамілозної кукурудзи на основі мутації su2 за вмістом білка в зерні перевершували стандарт. Вищим рівнем ознаки серед них відрізнялися гібриди АС – 43 х АС – 38, АС – 70 х АС – 43 та АС – 43 х АС – 92, в зерні яких вміст білка був на 2 – 2,4 % вищим від стандарту.

Позитивні ефекти ЗКЗ за вмістом олії в зерні за обидва роки випробувань виявили лінії АС – 38 та АС – 92, однак у першої з них зареєстровано низький ефект ЗКЗ в умовах 2002 року, а у другої – в умовах 2001 року. Варіанси СКЗ у всіх ліній високоамілозної кукурудзи на основі мутації su2 були дуже низькими і за специфічною комбінаційною здатністю ці лінії не відрізнялися. Успадкування вмісту олії в зерні гібридами високоамілозної кукурудзи не відповідало адитивно-домінантній моделі Хеймана.

За комплексом господарсько цінних ознак в експериментальній вибірці виділились гібриди АС – 43 х АС – 64, АС – 62 х АС – 92 та АС – 43 х АС – 28, які поєднували в межах одного генотипу достатньо високу для кукурудзи на основі мутації su2 продуктивність та підвищений практично у два рази (порівняно з контролем) вміст амілози в крохмалі.

Експресивність крохмаль-модифікуючих мутантних генів кукурудзи протягом розвитку насіння. Якщо характер накопичення крохмалю у звичайної кукурудзи та мутантів wx і su2 був принципово схожим, то зміни фракційного складу крохмалю протягом розвитку насіння кожного із зазначених типів кукурудзи виявилися дуже специфічними.

У лінії звичайної кукурудзи (ВІР – 44) вже на 20 день після запилення вміст амілози в крохмалі становив 23 % від його вмісту у фазі повної стиглості (рисунок).

10

Динаміка накопичення амілози в крохмалі ліній – носіїв рецесивних гомозигот wx та su2 впродовж розвитку насіння (2002-2003 рр.).

У період з 20 по 40 добу після запилення приріст вмісту амілози в крохмалі був майже лінійним, потім процес накопичення амілози в крохмалі зерна звичайної кукурудзи значно уповільнювався і з 40 по 50 добу він становив 1,4 %, а з 50 по 69 – 0, 7 % . Динаміка зміни вмісту амілози в крохмалі носіїв мутантного гену su2 та нормальної лінії ВІР - 44 була схожою, але на всіх фазах розвитку насіння носії мутації su2 характеризувалися підвищеним вмістом амілози.

На 20 добу після запилення високоамілозні лінії мали на 5,5 – 6,7 % більший вміст амілози в крохмалі порівняно з контролем. На 30 добу лінії експериментальної вибірки перевищували його на 11,9 – 15,5 %, на 40 день – на 18,5 – 30,2 %, на 50 добу – на 17,5 – 27,1 %, а на 60 добу після запилення – на 16,9 – 27,2 %. Таким чином, максимальні відмінності за вмістом амілози в крохмалі між звичайною кукурудзою та високоамілозною спостерігалися до 40 доби після запилення. Така тенденція зберігалася до повної стиглості зерна.

Лінії – носії рецесивної гомозиготи su2 в усі фази розвитку насіння істотно розрізнялись між собою за вмістом амілози в крохмалі. Це свідчить про наявність індивідуальної специфічності ліній кукурудзи на основі мутації su2 за характером

11

зміни фракційного складу крохмалю протягом розвитку насіння. Крім того, на підставі цих даних, можна зробити припущення про існування взаємодії ефекту моногенного локусу su2 з ефектом іншої, ймовірно полігенної системи.

Накопичення амілози в крохмалях носіїв рецесивної гомозиготи wx мало принципово інший характер. Насіння різних восковидних ліній на всіх етапах розвитку відрізнялося майже повною відсутністю амілози в крохмалі, а фактичні відмінності між варіантами досліду були значно меншими від помилки експерименту. Таким чином, ефект мутації wx щодо співвідношення лінійного та розгалуженого сополімерів крохмалю в процесі розвитку насіння може бути визнано фіксованим і практично незалежним як від загального генотипічного середовища, так і від фази розвитку насіння.

СТВОРЕННЯ НОВОГО ВИХІДНОГО МАТЕРІАЛУ ДЛЯ СЕЛЕКЦІЇ КУКУРУДЗИ НА ОСНОВІ КРОХМАЛЬМОДИФІКУЮЧИХ МУТАЦІЙ

Інбредні лінії, які були використані в наших дослідах, є першими національними лініями, що дозволили отримати гібриди з генетично поліпшеною якістю крохмалю. Разом з цим вони мають обмежену генетичну основу і тому не можуть вважатися найкращим вихідним матеріалом для практичної селекції. Тому для забезпечення успіху селекції технічної кукурудзи в Україні необхідною умовою є розширення корисного генетичного різноманіття вихідного матеріалу і забезпечення генетичної основи рекомбіногенезу.

Як метод розширення корисного генетичного різноманіття носіїв крохмальмодифікуючих мутацій ми обрали схрещування їх джерел з кращими неспорідненими за походженням лініями звичайного типу з наступним інцухтом та індивідуальним добором за сукупністю господарсько цінних ознак без використання беккросу. Експериментальні результати підтвердили результативність цього методу. В ході досліджень з гібридів F4 було виділено серію мутантних родин, які за продуктивністю та основними ознаками якості зерна перевершували мутантні батьківські лінії (табл. 5).

Таблиця 5

Продуктивність та основні показники якості зерна кращих родин восковидної та високоамілозної кукурудзи, що отримані при доборі з гібридів F4, 2004 р.

Гібридна

комбінація | Гено-тип | Продук-тивність, г зерна з рослини | Вміст,%

білка в зерні | олії в зерні | крохма-лю

в зерні | амілози в крохмалі

ВІР-44 х ВК-69 | wxwx | 85,9 | 10,1 | 3,6 | 67,8 | 0,5

A-508-7-1 x BK-69 | wxwx | 87,5 | 11,0 | 4,3 | 70,4 | 0,4

F-115 x BK-69 | wxwx | 92,3 | 10,2 | 3,6 | 68,5 | 0,5

S-49 x BK-69 | wxwx | 91,7 | 11,2 | 3,8 | 68,8 | 0,5

S-72 x BK-69 | wxwx | 85,1 | 11,7 | 4,9 | 64,6 | 0,7

ВК-69 (контроль) | wxwx | 83,6 | 10,7 | 5,6 | 66,1 | 0,6

12

(Продовження таблиці 5)

Гібридна

комбінація | Гено-

тип | Продуктивність, г зерна з рослини | Вміст, %

білка в зерні | олії в зерні | крохмалю в зерні | амілози в крохмалі

Z-20 x AC-43 | su2su2 | 70,8 | 11,6 | 3,1 | 63,1 | 45,2

УХ-27 х АС-43 | su2su2 | 69,3 | 11,0 | 5,1 | 65,6 | 41,9

F-7 x AC-43 | su2su2 | 74,2 | 11,3 | 4,5 | 64,7 | 42,5

S-49 x AC-43 | su2su2 | 80,6 | 12,3 | 4,4 | 63,9 | 44,8

P-092 x AC-43 | su2su2 | 73,4 | 10,9 | 5,6 | 61,4 | 48,3

AC-43 (контроль) | su2su2 | 61,5 | 13,9 | 5,4 | 58,9 | 47,3

УХБ-5 х АЕ-392 | aeae | 64,5 | 14,3 | 5,2 | 55,9 | 59,2

Bc-70457 x AE-392 | aeae | 71,6 | 12,9 | 4,5 | 57,5 | 57,8

CG-10 x AE-392 | aeae | 63,2 | 14,5 | 5,6 | 54,6 | 60,5

S-49 x AE-392 | aeae | 66,5 | 13,0 | 4,1 | 55,2 | 58,1

P-523 x AE-392 | aeae | 69,6 | 10,9 | 4,0 | 58,4 | 56,8

АЕ-392 (контроль) | aеае | 59,3 | 13,2 | 5,1 | 55,1 | 58,2

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої для економіки України проблеми – використання ефекту мутантних генів структури ендосперму кукурудзи для створення джерел імпортозамінних крохмалів амілопектинового та амілозного типів. Проаналізовано плейотропний ефект крохмальмодифікуючих мутацій кукурудзи за продуктивністю та основними ознаками якості зерна, їх експресивність протягом розвитку насіння, а також за умов різних генотипів та погодних умов вирощування. Встановлено ефекти комбінаційної здатності та генетичні компоненти дисперсії ліній восковидної та високоамілозної кукурудзи за сукупністю господарськоцінних ознак. Визначено та експериментально підтверджено результативність розширення генетичного різноманіття кукурудзи гібридизацією джерел мутантних генів wx, su2 та ае з кращими лініями звичайного типу і наступним інцухтом та індивідуальним добором мутантних родин. Створено серію інбредних ліній з крохмалями амілозного та амілопектинового типів, що має важливе значення для практичної селекції кукурудзи спеціального призначення.

1. Встановлено, що ген wx викликає утворення крохмалів, які майже повністю складаються з амілопектину, цей ефект має фіксований характер, незалежний від генотипу рекурентної батьківської форми та погодних умов вирощування і успадковується як якісна ознака. Мутація wx не викликає істотного плейотропного ефекту за продуктивністю та основними ознаками якості зерна.

2. Мутантні гени su2 та ае підвищують частку амілози в крохмалі до 51,9 % (ген su2) та до 63,5 % (ген ае). Однак, цей ефект нефіксований і залежить від погодних умов вирощування та генотипу рекурентної батьківської форми. Мутації su2 та ае викликають плейотропне зниження продуктивності ліній –

13

відповідно на 2,8 – 19,4 г та 20,3 – 26,8 г, вмісту крохмалю в зерні - відповідно на 7,8 – 12,9 % та на 9,7 – 12,4 %, і плейотропне підвищення вмісту білка у носіїв мутації su2 на 0,3 – 2,9 %, а у носіїв мутації ае – на 2,6 %, лізину, відповідно, на 1 % та 0,5 % і триптофану – на 0,2 % та 0,1 %.

3. Генетично зумовлений рівень господарсько цінних ознак у ліній – носіїв крохмальмодифікуючих мутацій та їх реакції на погодні умови вирощування виявляються як незалежні ознаки. Це дає змогу ідентифікації ліній з високим та стабільним за роками рівнем господарсько цінних ознак. Серед ліній восковидної кукурудзи найбільшою практичною цінністю за продуктивністю відрізнялися ВК – 64 та ВК – 69, вмістом крохмалю в зерні - ВК – 38, білка та олії – ВК – 19. Серед ліній високоамілозної кукурудзи найбільш високою та стабільною за роками продуктивністю та вмістом крохмалю в зерні відрізнялася лінія АС – 62, вмістом амілози в крохмалі - АС – 43, вмістом білка в зерні - АС – 92, вмістом олії в зерні – АС - 38 та АС – 43. Лінії восковидної кукурудзи розрізнялись за ефектами комбінаційної здатності щодо продуктивності та основних ознак якості зерна.

4. Перерозподіл фракційного складу крохмалю істотно позначається на розмірах та мікрорельєфі крохмальних гранул ендосперму. За фракційним складом гранул восковидна кукурудза наближається до звичайної, тоді як носії високоамілозних мутацій відрізнялися різко збільшеною часткою гранул великих розмірів. У звичайної кукурудзи гранули мали незначну шпаруватість, локалізовану в центрі гранули, у носіїв мутації wx гранули мали гладеньку поверхню, у носіїв мутації su2 шпарини виявлялись дуже чітко, а крохмальні гранули мутанта ае були дуже дрібними і схильними до утворення конгломератів.

5. Вміст крохмалю у носіїв мутантних генів wx, su2 та контролю в процесі розвитку насіння постійно зростає, але цей процес має нелінійний характер – основний приріст крохмалю у ліній всіх трьох типів відбувається з 20 по 40 добу після запилення. У контролю та носіїв мутації su2 впродовж розвитку насіння вміст амілози в крохмалі лінійно зростає до 40 доби після запилення, потім цей процес уповільнюється. В усі фази розвитку вміст амілози в зерні високоамілозних ліній перевищує контроль на 12 – 30%, тоді як насіння восковидних ліній впродовж усіх фаз достигання характеризується практично повною відсутністю амілози в крохмалі.

6. Лінії як восковидної, так і високоамілозної кукурудзи істотно відрізнялись між собою за ефектами комбінаційної здатності щодо продуктивності та основних ознак якості зерна. Найбільш високі та стабільні за роками ефекти ЗКЗ за продуктивністю мали лінії восковидної кукурудзи ВК – 69 та ВК – 64, за вмістом білка в зерні – ВК – 11, олії – ВК – 38 та ВК – 19, крохмалю – ВК – 36 та ВК – 69. Вищі варіанси СКЗ за продуктивністю зареєстровано у ліній ВК – 64 та ВК – 13, за вмістом білка в зерні – ВК – 13, ВК – 11, ВК – 36 та ВК – 69, крохмалю - ВК – 38, ВК – 19, ВК – 11, ВК – 64 і ВК – 13.

7. Серед ліній високоамілозної кукурудзи найбільш високі та стабільні ефекти ЗКЗ за