Селекція гібридного жита включає два етапа: визначення компонентів схрещування, що дають високий гетерозисний ефект по врожаю зерна; створення генетичної системи ЦЧС (стерильна материнська форма – закріплювач стерильності і відновлювач фертильності) на основі гетерозисних компонентів схрещування.
Основні завдання в селекції гібридного жита наступні.
1. Підбір пар для схрещування; оцінка сортів, штамів, ліній на загальну комбінаційну здатність (ЗКЗ) і специфічну комбінаційну здатність (СКЗ); одержання насіння гібридів F1 в достатній кількості для мікровипробування.
2. Вивчення закономірностей прояву гетерозиса за ознаками, які становлять величину врожаю і його якість, стійкість до хвороб і несприятливих умов середовища; встановлення реципрокних відмінностей і міри збереження гетерозиса в наступних поколіннях.
3. Виявлення високогетерозисних гібридів; випробування і перевірка стабільності гетерозиса гібридів при вирощуванні в різні роки і в різних екологічних умовах.
Після створення стерильних аналогів, закріплювачів стерильності і відновлювачів фертильності (всієї системи ЦЧС) для компонентів схрещування проводять станційне і екологічне випробування гібридів у просторі і часі, опрацьовують найбільш оптимальну схему насінництва гібридного насіння (розмноження і підтримка материнського і батьківських компонентів, одержання гібридного насіння).
Одержання гібридного насіння на фертильній основі. Селекція гібридного жита починається з схрещування фертильних батьківських форм і одержання гібридного насіння F1 в кількості, яка буде достатньою для посіву в селекційному розсаднику для мікровипробування. Гібридне насіння одержуютьпри кастрації квіток материнських форм вручну. Найбільш ефективним є метод „стрижки”, при якому після виколошування квіткові луски разом з пиляками зрізують ножицями наполовину – дві-третини довжини.Частини пиляків, що залишилися в квіткі, припиняють ріст і всихають без видалення. При ранній кастрації всихають усі пиляки незалежно від погодних умов.
Кастрацію необхідно проводити вчасно – за 3 – 4 дня до початку цвітіння. Основними перевагами такого способу кастрації жита є надійність і висока ефективність. Він не потребує спеціальних навичок, і одна людина протягом робочого дня може провести кастрацію 400 – 500 колосів жита.
Це дає можливість одержувати біля 2000 гібридних насінин, що достатньо для проведення мікросортовипробування.
Оцінка гетерозиса. Існує декілька методів визначення і оцінки рівня гетерозиса в гібридів культурних рослин шляхом порівняння гібридів по біологічних особливостях і врожаю з одним або двома батьківськими компонентами; з середніми показниками ознак двох батьківських форм; з кращим батьківським компонентом або кращим стандартним сортом.
Якщо гетерозис розглядати як надлишок потужності гібрида порівняно з середнім показником між батьківськими компонентами – Рср., то в відповідності з загальноприйнятою в генетичній літературі термінологією його необхідно характеризувати, як „гетерозис гіпотетичний” (Ггіп) і обчислювати в відсотках:
F1 - Рср
Ггіп = 100.
Рср
Чстіше в селекційно-генетичних дослідженнях гетерозис розглядається як загальне збільшення потужності ознак у гібридів F1 порявняно з кращою батьківською формою (Ркр) в результаті сумарної соматичної, репродукційної і адаптивної дії, гомеостаза. При такій оцінці гетерозис називають „справжнім” (Гспр):
F1 - Ркращ
Гспр = 100.
Ркращ
Гспр дає змогу в відповідній мірі мати уявлення про селекційну цінність гібрида, однак ця оцінка ще не остаточна. Гетерозисний гібрид може бути практично перспективним лише в тому випадку, якщо він по врожайності і інших господарсько цінних ознаках і особливостях істотно і набагато перевищує не лише кращий батьківський компонент, але і кращий стандартний сорт. Тому, для господарської оцінки гетерозисного гібрида необхідно його порівнювати з стандартним сортом (Ст), характеризуючи цей показник як „гетерозис конкурсний” (Гкон):
F1 – Ст
Гкон = 100
Ст.
Описані методи оцінки гетерозиса легко обчислюються, добре порівнюються і достатньо повно характеризують прояв і рівень гетерозиса гібридів.
Підбір пар для схрещування в селекції на гетерозис. Для успішного одержання високогетерозисних гібридів необхідно залучати сорти неспорідненого походження з різних екологічних груп, найбільш диференційованих генетично. Комбінаційна здатність сортів – головний критерій, за яким можна робити висновки про придатність батьківських форм жита для селекції на гетерозис. Експериментально доведено, що комбінаційна здатність сортів – спадкова ознака. Для отримання необхідних селекціонеру даних про комбінаційну здатність сортів існує один надійний шлях – схрещування з відповідним аналізатором (тестером) і наступна оцінка по нащадках..
Визначення комбінаційної здатності сортів і ліній рекомендується проводити по врожайності гібридів в % до середньої врожайності всіх гібридів у досліді - загальна комбінаційна здатність (ЗКЗ) і до середньої врожайності стандартного сорта в досліді – специфічна комбінаційна здатність (СКЗ). Поправка на наменшу істотну різницю (НІР) дає змогу об’єктивно оцінити рівень гетерозиса незалежно від року вирощування, особливості тестерів, набору аналізованих сортів і ліній і умов випробування з урахуванням точності досліду.
Шкала оцінки комбінаційної здатності сортів і ліній озимого жита
| Роз- ряд | Комбінаційна Здатність | Оцінка ЗКЗ Оцінка СКЗ | |
| Урожайність випробовуваного гібрида, в % до | |||
| середньої урожайності всіх гібридів в досліді | середньої урожайності стандарта в досліді | ||
| Дуже низька | < 100 + НІР | < 100 + НІР | |
| Низька | 100 + НІР | 100 + НІР | |
| Середня | 101 – 110 + НІР | 101 - 110 + НІР | |
| Висока Дуже висока | 111 - 120 + НІР >121 + НІР | 111 - 120 + НІР > 121 + НІР |
Слід враховувати, що в жита більш чітко виражена специфічна комбінаційна здатність, тому підбір сортів і ліній рекомендується проводити після перевірки їх за рівнем СКЗ, яку вони можуть проявляти в конкретних комбінаціях схрещування.
Встановлено, що гетерозис у жита досягається завдяки об’єднанню в гібриді високої продуктивності і високої адаптивності батьківських сортів і ліній. Гібриди від схрещування іншорайонних сортів з неспорідненими їм комерційними сортами, як правило, проявляють гетерозис за адаптивними ознаками. В таких схрещуваннях часто проявляється економічно значимий конкурсний гетерозис по врожаю зерна, який зберігається в різні роки, які різняться за погодними умовами.
Аналіз 20 високогетерозисних гібридів, у яких високий справжній гетерозис поєднувався з економічно значимим (більше 30%) конкурсним гетерозисом, показав, що їх урожай створювався в першу чергу за рахунок більшого числа продуктивних стебел на 1 м2. Якщо прийняти за 100% прибавку врожаю, яка створюється ефектом гетерозиса, то частка цього елемента продуктивності в урожаї гетерозисних гібридів становила 54%. Таким чином, гетерозисні гібриди виявилися більш життєздатними, біологічно стійкими в мінливих умовах середовища. Друга частина (46%) урожаю зерна гетерозисних гібридів створювалася за рахунок збільшення маси зерна з колоса, яка, в свою чергу, збільшувалася за рахунок збільшення числа зерен, у деяких комбінацій за рахунок збільшення маси 1000 зерен. Частка впливу цих елементів в урожаї зерна становила відповідно 24 і 22%.
Збільшення урожаю зерна на 12 – 22% за рахунок гетерозисного ефекта забезпечувалася збільшенням числа продуктивних стебел. Гетерозис по масі зерна з колоса становив 8 – 18%.
Гетерозис гібридів F1проявляється дискретно в перевершенні над схрещуваними компонентами по одному або декількох ознаках. Це може відбуватися в результаті домінування одних генів, над домінування других, неалельної взаємодії генів і впливу умов середовища.
Використання ЦЧС в селекції гібридного жита.
На сучасному рівні розвитку біологічної науки основою для одержання гетерозисних гібридів жита є використання ЦЧС. Явище цитоплазматичної чоловічої стерильності в популяціях жита відкрито порівняно недавно (Кобилянський, 1962 – 1969; Geiger, Schnell,1970). Вказані автори описали типи ЦЧС, які контрастно відрізнялися по цитоплазматичному і ядерно-генетичному контролю.
Частота зустрічаємості стерильних форм у зразках жита не пов’язана з їх географічним або екологічним походженням. Попередні підрахунки показують, що популяції жита включають від 20 до 0,09% стерильних рослин і менше. Стерильні рослини можан знайти майже в кожному сорті в період цвітіння або перед ним за редукованими, не розтріснутими пиляками, що мають світло-зелене або прозоро-жовте забарвлення. Особливо важливо виділення стерильних рослин перед початком цвітіння, що полегшує і робить більш ефективним проведення контрольних схрещувань.
Пошук стерильних рослин можна розпочинати за 3 – 4 дні до початку цвітіння. Найбільш розвинуті колоси необхідно зігнути такими чином, щоб кожен колосок колоса проглядався проти сонця. Квіткові луски в цей час затінені пиляками квітки, їх силуети чітко окреслені. За ступенем затінення квіткових лусок видні розміри пиляків і по цьому роблять попередній висновок про можливу їх стерильність.
Основним критерієм цитоплазматичного спадкування будь-якої ознаки є результати реципрокних схрещувань. Для проведення реципрокних схрещувань були створені фертильні форми рослин, що відрізняються за цитоплазмою: 1) з „стерильною” цитоплазмою і гетерозиготним станом гена стерильності (S) Rfrf; 2) з „фертильною” цитоплазмою і рецесивним станом гена стерильності (N) rfrf.
Результати аналіза нащадків від реципрокних схрещувань за ознакою стерильність-фертильність показали, що в тому випадку, коли цитоплазма материнської форми була „фертильною” (N), андростерильні рослини не вищіплювалися, коли ж цитоплазма материнської форми була „стерильною” (S), вищіплювалося біля 50% стерильних рослин
В переважній більшості цитоплазматична чоловіча стерильність у озимого диплоїдного жита в відповідній цитоплазмі контролюється одним геном (rfrf) в гомозиготному стані по рецесивному алелю, а фертильність – гетерозиготним (Rfrf) або гомозиготним (RfRf) його станом по домінантному алелю. В деяких випадках спостерігається невідповідності монофакторному контролю в розщепленнях стерильних аналогів, що може свідчити про існування різних цитоплазм або додаткових генів. Припускається полігенний контроль ознаки стерильності і наявність більше ніж двох алелів при моно факторному контролі. Прояв ЦЧС у жита в значній мірі модифікується під впливом умов середовища.
ЦЧС, яка обумовлена моно факторним генетичним контролем, об’єднують в один тип у зв’язку з подібною реакцією її носіїв на гени Rf. Стерильність джерел ЦЧС цього типу легко відновлюється при схрещуванні з різними сортами, штамами і лініями жита. Труднощі використання вказаних джерел ЦЧС в селекційних цілях полягають у необхідності експериментального створення повних закріплювачів стерильності в зв’язку з їх відсутності серед сортів і ліній жита. Для цього типу ЦЧС характерна різноманітність за ступенем редукції стерильних пиляків. Оскільки цей тип стерильності знайдений в Російській Федерації (В.Д. Кобилянський, 1975) він позначається символом R (Russian). Інший тип ЦЧС, знайдений в ФРН (Geiger, Schnell, 1970), серед рослин аргентинського жита сорту Pampa, позначений символом Р; джерелом його є широко відома лінія L 1P. Вивчення реакції сортів і ліній на цитоплазму джерела ЦЧС L 1P показало легкість закріплення стерильності і важку відновлюваність фертильності.
Дослідженнями H. Geiger (1971), L. Madej (1976) встановлено, що чоловіча стерильність L 1P контролюється двома парами незалежних рецесивних (S) rf1rf1rf2rf2генів. Порівняльне вивчення двох типів ЦЧС при схрещуванні їх джерел показало, що R- і P-типи являють собою незалежні генетичні системи з різними цитоплазмами і генами, які контролюють чоловічу стерильність. Незалежний генетичний контроль ознаки чоловічої стерильності у різних типів ЦЧС дає змогу створювати комплексні генетичні системи стосовно до завдань селекції гібридного жита (табл. ).
Взаємодія закріплювачів стерильності і відновлювачів фертильності
З стерильними лініями двох типів ЦЧС жита (1976 р).
| Тип ЦЧС | Стерильні лінії ( ) | Закріплювачі стерильності і відновлювані фертильності ( ) | Тип ЦЧС | Рослин в F1 |
| стеріль- них | Ферти-льних | |||
| L 1N(N)rf1rf1rf2rf2 P 135 0 P L1P(S)rf1rf1rf2rf2 Х Л 18 зс (N) rfrf R 279 L18F(N)Rf1Rf1Rf2Rf2 P 0 158 Л 3 вф (N)RfRf R 149 0 L 1N(N)rf1rf1rf2rf2 P 0 168 R Л 18 мс(S)rfrf Х Л 18 зс (N) rfrf R 150 0 L 18F (N)Rf1Rf1Rf2Rf2 P 0 162 Л 3 вф (N) RfRf R 0 151 | ||||
Створення генетичної системи ЦЧС для одержання гібридного насіння жита.
Цитоплазматичну чоловічу стерильність використовують як біологічний засіб кастрації материнських рослин при контрольованих схрещуваннях для одержання гібридного насіння. На основі ЦЧС створюють відповідну генетичну систему, яка складається з стерильного аналога материнського компонента схрещування, закріплювача стерильності (для підтримання і розмноження стерильного аналога), відновлювача фертильності -аналога батьківського компонента схрещування.
Монофакторна ЦЧС R-типу характеризується низькою частотою генів, які закріплюють стерильність, і високою частотою генів, що відновлюють фертильність. Вивчення реакції понад 100 самозальних ліній на цитоплазматичну чоловічу стерильність цього типу, проведеного L. Madej (1975), показало, що біля 3% з них виявилися закріплювачами стерильності, а 60% - відновлювачами фертильності.
Готових закріплювачів стерильності ЦЧС R-типу серед популяцій селекційних і місцевих сортів немає, лише поодинокі закріплювачі можна знайти серед самозапильних ліній жита. Тому при використанні даного типу ЦЧС основні зусилля слід спрямувати на створення стерильних аналогів і закріплювачів стерильності. Створення відновлювачяв не представляє труднощів у зв’язку з високою частотою прояву гена відновлювача в популяціях усіх сортів жита. Більшість сортів можна використовувати як готові відновлювачі навіть якщо вони відновлюють фертильність на 70 – 80%.
Для цитоплазматичної чоловічої стерильності Р-типу з дігенним генетичним контролем проблема створення закріплювачів стерильності не представляє труднощів. Тест-схрещування більше 600 самозапилених ліній з L 1P, що проведені H.Geiger (1976) і L. Madej (1976), дали змогу виявити серед них відповідно 20 і 35% готових закріплювачів стерильності, а відновлювані фертильності становили лише 3,5 і 5%.
Вивчення морфологічних ознак рослин жита з ЦЧС показало відсутність негативного впливу цієї ознаки на основні елементи продуктивності. Встановлено лише деяке зниження висоти стерильних рослин. Однак це позитивна особливість, оскільки сприяє стійкості до вилягання. Для збереження стерильних аналогів ЦЧС в генетичній чистоті, запобігання їх механічному засміченню використовують маркерні гени.
Спосіб одержання гібридного насіння жита в Україні поки що не знайшов широкого застосування. Створювати і підтримувати компоненти схрещування необхідно в науково-дослідних або селекційних установах, де можливий спеціальний кваліфікований контроль за їх генетичною чистотою, а розмноження компонентів проводити в насінницьких господарствах.