close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование методики оценки хозяйственно-ценных свойств коллекционных и селекционных форм тритикале с применением комплекса компьютерных программ

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Гребенникова Ирина Геннадьевна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ
ХОЗЯЙСТВЕННО–ЦЕННЫХ СВОЙСТВ КОЛЛЕКЦИОННЫХ
И СЕЛЕКЦИОННЫХ ФОРМ ТРИТИКАЛЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ
КОМПЛЕКСА КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
06.01.05 – селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Красноярск – 2016
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном
учреждении «Сибирский физико-технический институт аграрных проблем»
Научный руководитель:
доктор сельскохозяйственных наук
Стёпочкин Пётр Иванович
Официальные оппоненты: Логинов Юрий Павлович
доктор сельскохозяйственных наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Государственный аграрный
университет Северного Зауралья»,
профессор кафедры технологии производства,
хранения и переработки продукции растениеводства
Потоцкая Инна Владимировна
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Омский государственный аграрный
университет имени П.А. Столыпина», доцент
кафедры агрономии, селекции и семеноводства
Ведущая организация:
ФГБНУ «Научно-исследовательский институт
сельского хозяйства Центрально-Черноземной
полосы имени В.В. Докучаева»
Защита состоится «23» июня 2016 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного
совета Д 220.037.06 при ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный
университет» по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира 90, телефон/факс:
+7(391)227-36-09, e-mail: dissovet@kgau.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Красноярский государственный аграрный университет» и на официальном сайте
www.kgau.ru
Автореферат разослан « 29 » апреля 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.Н. Халипский
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Тритикале – единственный вид злака, искусственно
созданный человеком и нашедший широкое применение как пищевая, кормовая и
техническая культура. Она имеет значительно больший потенциал урожайности
на обедненных почвах в сравнении с пшеницей, лучшее качество зерна, чем у
ржи. Тритикале отличается абсолютной устойчивостью (при условии наличия в
геноме амфиплоидов полного набора хромосом ржи) к таким основным грибковым заболеваниям пшеницы как виды головни и мучнистая роса, высокой устойчивостью к бурой ржавчине. Следовательно, снимается проблема применения
вредных для окружающей среды и дорогих химических препаратов, что, несомненно, позволяет считать эту культуру экологически более чистой, чем пшеница.
Озимая тритикале, которая по зимостойкости лучше озимой пшеницы, но
несколько уступает озимой ржи, является перспективной культурой для Западной
Сибири. Но в годы с малоснежными и морозными зимами низкие температуры на
глубине узла кущения превышают критический порог, и озимые зерновые, особенно пшеница и тритикале, вымерзают. А в годы со значительным снежным покровом, длительно лежащим на полях, озимые культуры выпревают. Таким образом, озимые сорта тритикале, даже самые зимостойкие, не всегда могут дать гарантированный урожай. Поэтому актуально создание и внедрение в агропроизводство яровой тритикале как страховой культуры. Несмотря на ряд ценных
свойств, яровая тритикале в условиях Западной Сибири культура новая и малоизученная. Пшенично-ржаные амфиплоиды создаются и возделываются в европейской части России. Применительно к условиям Сибири яровых сортов пока
ещё нет. Внедрение этой культуры в производство возможно только при создании
сортов, соответствующих почвенно-климатическим условиям региона. В связи с
этим возникает необходимость подбора и создания исходного материала для селекции яровой тритикале.
Применение информационных технологий, позволяющих сократить время
на обработку полученных данных и анализ результатов, повысит надёжность
правильного подбора родительских форм для гибридизации при создании новых
сортов, обладающих требуемым сочетанием хозяйственно-ценных признаков, а
также обеспечит информационное сопровождение селекционного процесса для
данной культуры с учётом её специфики как в лабораторных исследованиях, так и
в полевых экспериментах.
Цель и задачи исследования.
Цель – создание и изучение исходного материала для селекции яровой тритикале с применением информационных технологий.
Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:
 изучить образцы яровых тритикале из мировой коллекции ВИР и селекционные формы по основным хозяйственно-ценным признакам;
 создать межсортовые гибриды яровой тритикале;
 сформировать базу данных по результатам изучения форм яровой тритикале, полученным за период исследований;
 обосновать структуру и разработать экспериментальную модель программно-алгоритмического комплекса по селекции тритикале;
3
 провести подбор исходных форм для селекции яровой тритикале с использованием программно-алгоритмического комплекса;
 на основе результатов исследований разработать вариант модели сорта
яровой тритикале с обоснованным набором признаков и свойств для конкретных
условий Западно-Сибирской лесостепи.
Научная новизна работы.
В настоящей работе впервые (с помощью информационных технологий) выделены перспективные селекционные формы тритикале. Создан адекватный вариант модели сорта яровой тритикале с обоснованным набором признаков и свойств
в условиях Западно-Сибирской лесостепи Приобья и база данных по яровым тритикале. Разработан новый алгоритм результативной оценки коллекционных образцов и селекционного материала яровой тритикале, на основе которого создан
новый комплекс программ (свидетельства Роспатента № 2011613440, 2011 г.; №
2013611494, 2013 г. и № 201361141, 2013 г. ). Установлено, что комплекс программ позволяет произвести оценку коллекционных образцов и подбор родительских форм яровой тритикале для гибридизации при создании селекционного материала с требуемым сочетанием хозяйственно ценных признаков.
Практическая значимость работы.
Созданный гибридный материал яровой тритикале включён в селекционные
исследования на повышение продуктивности и устойчивости к неблагоприятным
факторам среды в СибНИИРС – филиале института цитологии и генетики (ИЦиГ
СО РАН) и ФГБНУ НИИСХ Северного Зауралья.
Комплекс программ и базу данных применяют в СибНИИРС – филиале
ИЦиГ СО РАН для накопления, хранения и анализа данных по созданным селекционным формам яровой тритикале, в том числе баз оценочных данных коллекционного материала, а также в ФГБНУ Красноярский НИИСХ, ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ, ФГБОУ ВО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Киров) и Монгольской академии сельскохозяйственных наук (г. УланБатор) при проведении исследований по селекционной оценке сельскохозяйственных культур. Разработанный программно-алгоритмический комплекс и база
данных служат полноценным инструментом, позволяющим проводить интегральную оценку селекционного и коллекционного материала, хранить и обрабатывать
данные по селекции яровой тритикале. Результат работы комплекса позволил выявить родительские формы для гибридизации яровой тритикале, а также доноров
ценных признаков для селекционной работы в Западной Сибири.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. источники хозяйственно ценных признаков и исходный материал для селекции яровой тритикале;
2. программно-алгоритмический комплекс и база данных коллекционных образцов и селекционных форм яровой тритикале.
Апробация работы. Исследования проведены в соответствии с планом работ
ФГБНУ СибФТИ, номер Государственной регистрации 04.05.01.01. Соискатель является ответственным исполнителем по теме НИР 04.05.01.01 «Разработать информационно-аналитическое обеспечение селекции тритикале». Результаты исследований заслушаны на заседаниях учёного совета ФГБНУ СибФТИ в 2009-2012 гг.,
на заседании научно-технического совета ФГБУ СО АН (протокол №1 от
4
29.03.2012 г.) и отражены в отчётах за этот период. Основные положения диссертационной работы докладывались и одобрены на международных научнопрактических конференциях: «Информационные технологии, системы и приборы в
АПК», Новосибирск, 2009; «Селекция сельскохозяйственных культур на устойчивость к экстремальным факторам среды в аридных зонах Сибири», Улан-Удэ, 2010;
«Математические модели и информационные технологии в сельскохозяйственной
биологии», Санкт–Петербург, 2010; «Электроэнергетика в сельском хозяйстве»,
Барнаул, 2011; «Наука в школе», Академгородок, Новосибирск, 2011; «Информационные технологии и техника нового поколения – основа модернизации сельского
хозяйства», Москва, 2011; «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых учёных», Новосибирск, 2012; селекционно-генетическая школа,
Новосибирск, 2012; «Селекция сельскохозяйственных культур на высокий генетический потенциал, урожай и качество», Тюмень, 2012; «Информационные технологии, системы и приборы в АПК», Новосибирск, 2012 и др.
Личный вклад соискателя. Все лабораторные и полевые исследования по
созданию и изучению гибридного материала яровых тритикале спланированы и
проведены при личном участии автора. Разработана база данных по селекции яровой тритикале, комплекс алгоритмов подбора родительских пар из генофонда тритикале и программно-алгоритмическое обеспечение, реализующее эти алгоритмы.
Методическое руководство осуществлялось Стёпочкиным П.И. и Алейниковым
А.Ф. Апробация программно-алгоритмического комплекса проводилась совместно
с другими сотрудниками института и отражена в совместных публикациях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 научных работ,
в том числе 11 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 авторских свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести
глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 189 страницах компьютерного текста, содержит 22 таблицы, 32 рисунка. Список литературы
включает 195 наименований. Работа выполнена в ФГБНУ СибФТИ в период с
2009 по 2013 г.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д-ру с.-х. наук Стёпочкину П.И. и научному консультанту д-ру техн.
наук, профессору Алейникову А.Ф. за помощь и поддержку при подготовке настоящей диссертационной работы, а также канд. физ.-мат. наук Чешковой А.Ф.
за помощь при разработке программ по экологической пластичности и оценке селекционной ценности.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
СПОСОБЫ ОПТИМИЗАЦИИ СЕЛЕКЦИОННОГО ПРОЦЕССА
ТРИТИКАЛЕ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
В настоящем разделе диссертации дан обзор литературы по описанию культуры тритикале, её применению и особенностям селекционного процесса, также
рассмотрены современное состояние, опыт создания и применение информационных систем для повышения эффективности селекционного процесса зерновых
культур при создании хозяйственно ценных сортов. Предлагается перспективы
развития современных информационных систем в растениеводстве связать с
5
обеспечением информационного сопровождения селекционного процесса от лабораторных исследований до полевого эксперимента. Сокращение времени на обработку полученных данных, анализ результатов и применение информационных
технологий положительно влияют на результативность селекции и повышают надёжность выбора лучших образцов, который традиционно осуществляется исходя
из опыта и интуиции селекционера.
УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проведены в 2009 – 2013 гг. в лабораторных и полевых условиях СибНИИРС – филиала ИЦИГ СО РАН и биополигона ФГБНУ СибФТИ. Земельные участки расположены в лесостепи Новосибирского Приобья. Состав почвы на земельных полях учреждений не выровненный, с преобладанием выщелоченного среднемощного чернозёма. На участке СибНИИРС выщелоченный чернозем смешан с торфом в соотношении 20% к 80%. Опыты закладывались по чистому пару. Климат – континентальный, умеренно прохладный, умеренно засушливый со среднегодовым количеством осадков 425 мл (78% выпадает в теплый
период) и коротким жарким летом. Безморозный период длится 92-141 дней. За
период исследований метеорологические условия были разнообразными по температурному режиму и влагообеспеченности, что в значительной степени влияло
на семенную продуктивность растений. На первом этапе селекционной работы
был всесторонне проработан исходный материал и произведён подбор родительских форм с целью получения разнокачественных в генетическом отношении
гибридов, их изучения и создания исходного материала.
В качестве родительских компонентов для изучения наследования хозяйственно ценных признаков в скрещиваниях были выбраны четыре сорта яровых тритикале из коллекции ВИР: Габо, Сокол Харьковский, Укро, К-3881 и сорт озимой
тритикале Сирс57 селекции СибНИИРС. Подбор родительских форм для скрещиваний проводился с учётом их эколого-географической отдалённости по комплексу хозяйственно ценных признаков и свойств и иммунологических характеристик.
Нами в условиях Сибирского региона применялись следующие методы создания селекционного материала: межсортовая гибридизация гексаплоидных тритикале на основе использования достижений мировой и отечественной селекции и
использование озимой тритикале для создания яровых форм.
Основными целями проведения лабораторных и полевых опытов были следующие:
1. получение практических ценных межсортовых гибридных форм яровой
тритикале из 16 комбинаций скрещиваний, их размножение, проведение селекционных испытаний;
2. изучение сортов и линий яровых тритикале в разных по минеральному составу почвенных условиях и отбор форм, обладающих высоким потенциалом продуктивности зерна и адаптивностью для Западно – Сибирской лесостепи Приобья;
3. создание базы данных для увеличения биоразнообразия сибирского генофонда яровых тритикале;
4. организацию системы компьютерного сервиса для оптимизации подбора
форм яровых тритикале.
6
СОЗДАНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ ГИБРИДОВ ЯРОВОЙ ТРИТИКАЛЕ
В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ ПРИОБЬЯ
Исходный материал получен методом внутривидовой гибридизации яровых
сортов гексаплоидных тритикале Габо, Сокол Харьковский, Укро, К-3881 по полной диаллельной схеме 4 × 4 и этих же сортов с озимым сортом Сирс 57. Опыление производилось принудительным образом. Гибриды F1 выращивали в зимний
период 2009 – 2010 г. в лабораторных условиях с использованием шкафа искусственного климата «БИОТРОН», что значительно ускорило прохождение материала
по схеме селекционного процесса. Гибриды F2 - F5 – в открытом грунте в гибридных питомниках при ручном посеве. В ходе опыта оценивались элементы продуктивности гибридов. Для проведения структурного анализа производился отбор
элитных растений родительских форм и гибридных популяций, характеризующихся высокой урожайностью, устойчивостью к полеганию, не пораженных болезнями и вредителями.
При выращивании гибридов первого поколения яровых форм тритикале с
озимым Сирс 57 наблюдалось доминирование ярового образа жизни. У всех комбинаций скрещиваний с сортом Габо наблюдалась антоциановая окраска влагалища флагового листа. По вегетационному периоду гибриды были разнообразны.
Продолжительность периода всходы – начало колошения в полевых условиях составляла от 37 до 53 дней. Наиболее скороспелыми оказались гибриды Габо × Сокол, Габо × Укро, Укро × Сокол, Сокол × Укро, К-3881 × Укро и К–3881 × Сокол. Более позднеспелыми – гибриды с сортом Сирс 57. По продуктивной кустистости растения также имели значительную изменчивость. Как правило, у гибридов она была выше, чем у родительских форм, что объясняется проявлением гетерозиса. Все гибридные комбинации с озимым сортом Сирс 57 имели колос с укороченными остями. Длина остей колебалась в пределах 1÷3 см. У яровых гибридов этом параметр имел значение от 6 до 12 см. Наибольшей продуктивностью
колоса выделились гибриды К-3881  Габо (5,2 г), К-3881  Укро (4,9 г). Среди
комбинации гибридов Сирс 57  Габо также выделились растения с высокой продуктивностью колоса от 3,5 г.
В расщепляющихся поколениях F2 - F4 проводился негативный отбор, т.е.
выбраковывали озимые и сверхпозднеспелые растения в комбинациях с озимым
сортом Сирс 57, тонкостебельные, мелкоколосые, ломкоколосые растения, полустерильные и стерильные, с проросшим зерном и с колосьями, в которых обнаруживали спорынью.
В популяциях гибридов F2 с озимым сортом Сирс 57 появились озимые растения, которые не дали потомства. У ряда гибридов популяций F2 наблюдалось снижение продуктивности. Уменьшение эффекта гетерозиса происходило главным образом за счет уменьшения продуктивной кустистости гибридов (2,1÷3,4 шт.). Однако, гибриды Сокол × К–3881, К–3881 × Сокол, Сирс 57 × Укро и Сирс 57 × Сокол
превышали по этому признаку свои родительские формы. По количеству зёрен и весу зерна с одного колоса у гибридов с участием сорта Укро (Укро × К–3881, Укро ×
Габо) также получены более высокие показатели. Выделилась перспективная комбинация Сирс 57 × Укро, имеющая высокие показатели по продуктивной кустистости, количеству зёрен в колосе и массе 1000 зёрен. Остальные гибриды имели
эти показатели чуть ниже или на уровне своих родительских форм.
7
В популяциях гибридов F3 с озимым сортом Сирс 57 озимых растений было на
порядок меньше, чем в предыдущем поколении. Все комбинации с озимым сортом
Сирс 57 имели более продолжительный вегетационный период, чем остальные гибриды (61,5 ± 1,3). В основном гибриды имели крупное, хорошо выполненное зерно.
В комбинации Сирс 57 × Укро выделились растения с высокой продуктивностью
колоса: количество зёрен в колосе – 64 шт., масса зерна главного колоса – 2,2 г.,
масса 1000 зёрен – 34,7 г. Колос безостый или короткоостый. Соломина короче по
сравнению с родительским сортом Укро (таблица 1). Данная гибридная комбинация представляется перспективной для дальнейшего селекционного исследования.
Таблица 1– Основные количественные признаки гибридов F3
и родительских форм, 2011 г.
105,2 ± 3,3
Кол-во
зёрен в
колосе, шт.
64,0 ± 2,9
Масса зерна главного
колоса, г
3,3 ± 0,2
53,5 ± 0,6
77,0 ± 5,6
60,7 ± 2,9
Габо
49,0 ± 0,8
85,8± 5,2
Сокол
51,8 ± 0,9
Укро × Сокол
Сорт, гибрид
Продолжительность
периода всходы –
колошение, дни
Высота
растения, см
Укро
50,5 ± 0,6
К – 3881
Масса 1000
зёрен, г
Оценка
селекционной
ценности
50,9 ± 1,7
0,75
2,5 ± 0,2
41,0 ± 4,3
0,63
59,0 ± 3,3
2,1 ± 0,1
35,5 ± 0,7
0,58
94,3 ± 4,3
57,5 ± 5,9
2,6 ± 0,2
45,5 ± 3,2
0,64
51,3 ± 0,9
107,0 ± 2,9*
56,3 ± 6,8
2,7 ± 0,3
47,5 ± 5,2
0,69
Укро × К-3881
52,3 ± 0,5**
98,5 ± 3,8*
61,5 ± 4,7
2,5 ± 0,1**
41,0 ± 1,2**
0,65
Габо × К-3881
53,0 ± 0,8*
83,3 ± 4,0
53,5 ± 3,3
2,0 ± 0,1*
36,6 ± 3,6
0,57
Сокол × Габо
51,3 ± 0,5*
100,5 ± 4,6*
58,3 ± 4,8
2,8 ± 0,1*
47,5 ± 3,1*
0,66
Габо × Укро
50,3 ± 0,5
98,5 ± 5,0**
58,8 ± 2,5
1,9 ± 0,2*
32,5 ± 2,1*
0,58
Сирс 57 × Укро
61,5 ± 1,3*
92,0 ± 2,8*
64,0 ± 6,5*
2,2 ± 0,1*
34,7 ± 1,7*
0,60
Сирс 57 × К-3881
57,5 ± 0,6*
71,0 ± 2,5*
47,8 ± 6,3
1,6 ± 0,1*
32,9 ± 3,7*
0,57
Сирс 57 × Сокол
62,3 ± 1,7*
78,8 ± 2,2*
51,8 ± 4,3
1,7 ± 0,1*
33,6 ± 2,2*
0,56
Сирс 57 × Габо
52,3 ± 1,2*
72,5 ± 2,9*
53,5 ± 4,6
1,5 ± 0,1*
28,2 ± 1,6*
0,55
* – достоверное отличие от отцовской формы при Р<0,05;
** – достоверное отличие от материнской формы при Р<0,05;
В ходе исследования гибридов F4 и F5 выделилась комбинация Сирс57 × Укро,
выгодно отличающаяся от других растений более высокой урожайностью зерна
(51,3 ± 3,0 ц/га) и коэффициентом селекционной ценности (0,71). По этим показателям она ненамного уступала отцовскому сорту Укро. Но наличие более короткой соломины (79,5 ± 4,8 см) по сравнению с Укро (103,5±3,0 см) и безостого колоса делает эту гибридную популяцию более перспективной в хозяйственном и
селекционном отношении. Определённый интерес для дальнейшей селекционной
работы так же представляют гибриды Укро × К-3881 и Габо × Укро, у которых
высокая продуктивность сочетается с комплексом хозяйственно ценных признаков (таблица 2).
Проведённые индивидуальный и индивидуально-массовый отборы позволили
получить в гибридных популяциях яровых тритикале большое количество форм,
значительно превосходящих по своим показателям исходные родительские формы, что объясняется генетическими, наследственными различиями скрещиваемых
экологически различных форм. Основными достоинствами этих гибридов являются высокая продуктивность, устойчивость к болезням, полеганию и осыпанию, а
также высокое качество зерна.
8
Укро
К-3881
Габо
Сирс57 × Укро
Укро × К-3881
Сирс57 × К-3881
Сирс57 × Габо
Габо × Укро
Коэф.
селекц.
ценности
Урожайность,
ц/га
Масса
1000
зёрен, г
Масса зёрен глав.
колоса, г
Число зёрен глав.
колоса,
шт
Высота
растения
см
Продол.
периода
всходы–
колош.,
дн
Сорт, гибрид
Среднее
знач. ±
Таблица 2 – Основные количественные признаки гибридов F5
и родительских форм, 2013 г.
ср
53,3
103,5
47,8
2,1
43,2
55,5
0,737
±
2,1
3,0
1,7
0,1
0,4
2,8
0,011
ср
56,3
75,8
41,5
1,6
38,1
38,3
0,637
±
4,0
5,3
3,1
0,1
0,9
4,8
0,034
ср
50,3
83,0
37,8
1,2
32,7
35,3
0,591
±
0,9
5,6
3,5
0,1
0,4
9,0
0,015
ср
58,5***
79,5**
54,8***
2,1**
38,3***
51,3
0,708**
±
2,4
4,8
5,9
0,2
1,1
3,0
0,027
ср
54,8
92,5***
45,3*
1,8***
40,2*
48,7***
0,668**
±
0,9
1,7
4,2
0,1
1,9
2,7
0,006
ср
56,3**
82,8
44,5**
1,6**
36,7**
35,6**
0,617**
±
1,7
3,3
1,9
0,1
0,5
3,2
0,023
ср
56,0***
76,3
33,0***
1,2**
36,0***
29,7***
0,583**
±
1,1
3,2
2,1
0,1
1,4
2,3
0,009
ср
51,3
86,3*
41,0***
1,5***
35,8***
37,7*
0,606*
±
2,0
4,3
3,1
0,1
1,0
3,4,
0,013
Примечание:
* – достоверное отличие от отцовской формы при Р<0,05;
** – достоверное отличие от материнской формы при Р<0,05;
*** – достоверное отличие от обеих родительских форм при Р<0,05.
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
И БАЗЫ ДАННЫХ ПО СЕЛЕКЦИИ ТРИТИКАЛЕ
Содержание и принципы построения базы данных
Накопленный в результате селекционной работы материал был обработан и
систематизирован. Были рассмотрены биологические, морфологические характеристики и хозяйственные особенности культуры тритикале. Эти и другие атрибутивные данные определили те характеристики сортов и линий тритикале, которые
нашли отражение в разработанной структуре базы данных (БД). Структуру БД составляют шесть таблиц, предназначенных для хранения данных по признакам сорта
(номер по каталогу ВИР, номера по каталогу сибирского генофонда, исходный материал, ботанические, биологические и хозяйственно ценные признаки и др.); значениям признаков (продолжительность вегетационного периода, урожайность, устойчивость к болезням и неблагоприятным факторам среды); описанию земельного участка;
описанию организации – оригинатора; натуры зерна и графического материала по каждому сорту. Также при разработке данной структуры мы ориентировались на общепринятую в ВИРе описательную часть баз паспортных данных.
БД содержит информацию об изучении образцов яровых тритикале по урожайности, качеству продукции, устойчивости к болезням, вредителям и другим
9
неблагоприятным факторам – всего 18 показателей и является инструментом для
накопления, хранения и анализа данных по селекции яровой тритикале.
Создание программного обеспечения
Неотъемлемыми
компонентами
разработанного
программноалгоритмического комплекса являются пакеты статистических, биометрикогенетических и селекционно-ориентированных программ. В процессе анализа результатов полевых опытов пользователю предоставляется возможность планировать скрещивания, выбирать лучшие линии на основе интегральной оценки, определять стабильность признаков сортов или гибридов и решать другие селекционно-генетические задачи.
Структурная схема программно-алгоритмического комплекса по селекции
тритикале состоит из следующих блоков: «Паспортные данные сортов и линий
тритикале», «Регистрация и документация селекционного материала», «Блок статистических и селекционно-ориентированных программ», «Блок имитационного
моделирования» (рисунок 1).
Интерфейс пользователя-селекционера
Паспортные данные сортов и линий тритикале
База
данных
Скрещивания
коллекционный
гибридный
Питомники
Регистрация и
документация
селекционного
материала
селекционный
контрольный
предварительные
Сортоиспытания
конкурсные
Размножение
Экологические испытания
С е л ек ц ио н но - ор и ен т ир о ва н ны е п р ог р ам м ы
Анализ экологической пластичности
П р о гр а мм ы с т ат и ст и че с ко г о а на л из а
Диаллельный анализ по Гриффингу
Диаллельный анализ по Хейману
Б л о к и ми т ац и он н ог о м о де л ир о ва н ия
Расчет селекционной ценности
ОТЧЁТЫ
Рисунок 1 – Структура программно-алгоритмического комплекса
по селекции тритикале
10
Диаллельный анализ
Для определения доноров ценных количественных признаков наиболее оптимально применять анализ генетических параметров, общей и специфической комбинационной способностей гибридов первого поколения, полученных от скрещиваний по диаллельной схеме. На основе диаллельного анализа получена информация о характере наследования различных признаков у гибридов F1. Программа создана на основе методических рекомендаций Цильке Р.А. и Присяжной Л.П. (1979).
В основе программы лежат два способа извлечения генетической информации по
результатам анализа диаллельных скрещиваний: метод Хеймана и Гриффинга.
Исходной информацией для программы оценки исходного материала по комбинационной способности и количественным признакам являются данные о родительских формах, гибридах первого поколения, числе повторений опытов, а также
об интересующем исследователя выбранном количественном признаке.
Программа выполняет следующие основные функции: оценку комбинационной способности родительских форм; оценку генетических параметров исследуемого признака; выявление эффектов действия генов (аддитивность, доминирование, эпистаз); определение степени наследуемости признаков; определение соотношения частот доминантных и рецессивных генов в определённом локусе; сравнительный анализ родительских сортов и их потомства по отцовской и материнской линии. Анализ проводили по признаку «длина колоса». В современных селекционных программах длине колоса уделяется большое внимание, так как этот признак коррелирует с другими структурными элементами, обусловливающими продуктивность колоса.
Анализ по методу Гриффинга показал, что линии с высокой оценкой общей
комбинационной способности по количественному признаку «длина колоса» (Укро) целесообразно использовать в линейной селекции для увеличения его значения. Гибридные комбинации с высокой специфической комбинационной способностью (К–3881 × Сокол) можно применять в гетерозисной селекции (рисунок 2).
Рисунок 2 – Результаты анализа общей и специфической комбинационной
способности четырёх сортов яровой тритикале
Проведенный диаллельный анализ по методу Хеймана показал, что у селекционного материала в схеме наследования признака «длина колоса» преобладали
доминантные аллели (компонент изменчивости, отражающий направление доминирования F>0). Доминирование направлено в сторону увеличения признака. Коэффициент регрессии высокозначимо отличается от нуля, что свидетельствует об
отсутствии эффектов эпистаза и независимом распределении генов у родительских форм (рисунок 3).
11
Wr
Vr
Рисунок 3 – Результаты анализа по методу Хеймана (компоненты
изменчивости генетических параметров и график регрессии Wr на Vr по F1)
Регрессионный анализ дисперсий Vr на ковариации Wr наглядно иллюстрирует генетическую систему контроля признака по каждому сорту, в частности относительный вклад доминантных и рецессивных аллелей. Поскольку линия регрессии пересекает отрицательную часть оси Wr, можно сделать заключение, что в
целом у гибридов проявляется эффект сверхдоминирования по длине колоса.
Сорт К-3881 несёт наибольшее значение рецессивных аллелей. Сорт Габо обладает относительно большим числом доминантных аллелей и является перспективным в селекции по исследованному признаку «длина колоса».
Анализ экологической пластичности
Программно-алгоритмическое обеспечение по оценке экологической пластичности тритикале позволяет проводить оценку сортов и линий тритикале по
степени отзывчивости на благоприятный агрофон через показатель интенсивности
и оценку сортов и линий тритикале по степени устойчивости индекса стабильности на разных агрофонах. В основе программы лежит методика, разработанная
Удачиным Р.А. и позволяющая проводить оценку экологической пластичности
образцов на разных этапах селекционного процесса при испытании их минимум
на двух агрофонах.
Сорта и линии тритикале, проверенные в Сибирских условиях на урожайность, устойчивость к неблагоприятным условиям, болезням и вредителям, используются для экологического испытания в разных почвенно-климатических условиях. Исходной информацией для разрабатываемой программы являются данные по продуктивности форм тритикале, числе повторений опытов и числе агрофонов. В результате тестирования программы выполнено дифференцирование
сортов и линий яровой тритикале по их реакции на условия возделывания, а также
установлен критерий ценности изучаемых образцов при селекции на продуктивность при различном сочетании высокой урожайности со свойствами стабильности и интенсивности (рисунок 4).
12
Рисунок 4 – Результаты оценки экологической пластичности четырёх сортов
яровой тритикале
Интегральная селекционная оценка
В основу создания программы положен алгоритм оценки селекционной ценности сельскохозяйственных культур, разработанный совместно ФГБНУ
СибФТИ и СибНИИРС – филиал ИЦиГ СО РАН (2011). С помощью программы
вычисляется коэффициент интегральной оценки коллекционных и селекционных
образцов в зависимости от долевых вкладов ряда ценных признаков, тем самым
выявляются селекционно-ценные образцы.
Вследствие того, что некоторые показатели не имеют положительной линейной регрессии с их оценкой, при расчете интегральной ценности исследуемых образцов была выполнена трансформация первичных данных из метрического варианта выражения количественного признака в балловый вариант с использованием
логических функций. Было сделано 6 градаций каждого признака с оценкой от 0
до 5 баллов. Тестирование программы проводилось на гибридах F4 урожая 2011 г.
Каждому признаку присваивался коэффициент значимости, определяющий его
долевой вклад в интегральную селекционную оценку образца.
Расчёт интегральной селекционной оценки растения выполнялся с учётом
коэффициента значимости и относительного балла данного признака по формуле:
n
С
i 1
Pi
 Ki ,
Pi max
(1)
где С – интегральная селекционная оценка растения; Pi – значение признака
образца в баллах; Pimax – максимальное значение признака в баллах; Кi – коэффициент значимости.
Вычисление интегральной оценки исследуемых форм позволило выявить
селекционно-ценные образцы (рисунок 5).
Рисунок 5 – Интегральная оценка форм яровой тритикале
13
РАЗРАБОТКА ВАРИАНТА МОДЕЛИ СОРТА ЯРОВОЙ ТРИТИКАЛЕ
В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ ПРИОБЬЯ
На основании накопленного за годы исследования экспериментального материала по изучению коллекции яровой тритикале, её основных морфобиологических особенностей, нами определены оптимальные параметры варианта модели сорта яровой тритикале зернофуражного направления, адаптированной
к условиям лесостепи Приобья. При создании варианта модели учитывался характер наследования признаков, отбирались формы, которые имеют высокую
корреляционную связь продуктивности растений с другими хозяйственно ценными признаками. Вариант модели сорта разработан с использованием результатов корреляционного анализа взаимосвязей между показателем массы зёрен растения и морфо-биологическими признаками. Предложенные оптимальные параметры варианта модели будут способствовать повышению эффективности отбора
хозяйственно ценных генотипов и целенаправленному проведению селекции на
адаптивность к условиям региона. За стандарт взят сорт Укро, включенный в
Госреестр в 2000 году. Основные признаки модели сорта сведены в таблицу 3.
Таблица 3 – Параметры варианта модели сорта яровой тритикале
для среднестатистических условий Западно-Сибирской лесостепи Приобья
Хозяйственно–ценный признак
Показатели сортов
Сорт Укро
Модельный
Высота растения, см
90 – 110
80 – 90
2–3
2–3
Число зёрен главного колоса, шт
45 – 55
50 – 60
Длина колоса, см
10 – 11
11 – 13
Число колосков в колосе, шт
22 – 26
20 – 25
да
нет
Масса зерна колоса, г
3–4
4–5
Масса зерна растения, г
6–7
10 – 12
Масса 1000 зерен, г
52
60
Натура зерна, г/мл
2 – 2,1
2,1
Диаметр шейки, мм
1,9 – 2,1
2,7
Диаметр первого междоузлья, мм
3,4 – 3,8
4,1
74-83 (87-92)
98
высокая
высокая
высоко-устойчив
высоко-устойчив
Продуктивная кустистость, шт/раст.
Остистость
Вегетационный период, дни
Засухоустойчивость
Устойчивость к основным болезням
(мучнистая роса, бурая ржавчина,
пыльная и твердая головня)
Селекционная работа при создании перспективного сорта должна вестись на
увеличение длины колоса до 11 – 13 см с числом колосков в колосе 20 шт., т.к.
именно эти параметры обеспечивали наибольшую массу колоса у экспериментальных образцов. Сорта соответствующие новой модели, должны быть короткостебельными, высотой не более 90 см, и обладать высокой устойчивостью к полеганию. По продолжительности вегетационного периода модельный сорт может
14
быть скороспелым, среднеранним или среднеспелым. Продуктивная кустистость
перспективного сорта должна находиться в пределах от 2 до 3 шт. на растение.
Масса зерна колоса должна быть 2 – 3 г, что соответствует сорту Укро, но по общей массе зерна с растения превышать его (10 – 12 г). По массе 1000 зёрен перспективный сорт не превышает стандарт Укро (50 г), имеет хорошо выполненное
зерно с натурой 2,2 г/мл и выше. Ости – нежелательный признак при использовании тритикале на кормовые цели для жвачных животных, поэтому предпочтение
отдано безостым формам.
ОЦЕНКА
РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ
И
ЭКОНОМИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЛЕКСА
КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ ПО СЕЛЕКЦИИ ТРИТИКАЛЕ
Произведена оценка экономической эффективности применения программно-алгоритмического комплекса в селекционном процессе тритикале. По результатам расчета расходы по внедрению проекта окупятся в течение 22 месяцев. Годовой экономический эффект при использовании системы равен 66103 руб.
ВЫВОДЫ
1.
Получены межсортовые гибриды яровой тритикале по полной диаллельной схеме 44 сортов яровых тритикале: Сокол Харьковский, Укро, Габо, К–
3881, а также этих сортов с озимым сортом Сирс 57. Эти гибриды используются в
селекции на продуктивность и устойчивость к неблагоприятным факторам среды,
а также для увеличения биоразнообразия сибирского генофонда.
2. При изучении гибридных популяций яровых тритикале F2 – F5 выявлено большое разнообразие форм по количественным и качественным признакам,
что позволяло эффективно проводить отборы растений.
3. В гибридизации с яровыми формами озимый сорт Сирс 57 является донором короткостебельности, которая проявлялась во всех поколениях как доминантный признак (высота растения 76 – 87 см), а также безостого колоса и продолжительного вегетационного периода (фаза всходы – колошение 66 – 73 дня).
4. Яровой сорт Укро является источником по отдельным хозяйственно
ценным признакам:
– числу зёрен с главного колоса: 46 – 67 шт.;
– массе зерна с главного колоса: 2 – 4 г;
– массе 1000 зёрен: 42 – 60 г.
5. Сформирована база данных по результатам селекции яровой тритикале
в условиях Западно – Сибирской лесостепи Приобья за период 2009 – 2013 гг. В
базу внесены данные по родительским и гибридным формам, полученным по
полной диаллельной схеме с указанием 18 количественных селекционных признаков для каждой формы.
6. На основе теоретических и исследовательских данных разработана
структура и экспериментальная модель программно-алгоритмического комплекса
по селекции тритикале, состоящая из следующих блоков: «Паспортные данные
сортов и линий тритикале», «Регистрация и документация селекционного материала», «Блок статистических и селекционно-ориентированных программ»,
«Блок имитационного моделирования» и обосновано их взаимодействие.
15
7. Использование программно-алгоритмического комплекса позволило
выделить для возделывания в Западно-Сибирском регионе следующие исходные
формы яровой тритикале с возможностью их использования в селекции для увеличения исследуемых количественных признаков:
– линия К–3881 имеет максимальное значение общей комбинационной способности (gi =2,94) по признаку «число зёрен главного колоса» (КП «ДИАС»);
– по оценке экологической пластичности выделены пластичный сорт экстенсивного типа Укро, дающий в различных условиях стабильно высокий урожай
(7,5-8,1 т/га) и интенсивный сорт К – 3881 (программа «Анализ экологической
пластичности сельскохозяйственных культур»);
– по интегральной оценке из гибридов выделена комбинация Сирс 57Укро
(программа «Интегральная селекционная оценка сельскохозяйственных культур».
8. На основании изучения коллекционных и селекционных форм разработан вариант модели сорта яровой тритикале для условий Западно-Сибирской лесостепи Приобья. Полученная модель позволит оптимизировать отбор исходного
материала для создания новых высокоурожайных сортов яровой тритикале.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1. Полученные гибриды яровой тритикале использовать в селекции на продуктивность зерна, устойчивость к неблагоприятным факторам среды, а также для
увеличения биоразнообразия и расширения ассортимента сибирского генофонда.
2. Для создания сортов яровой тритикале в условиях Западно-Сибирской лесостепи Приобья в качестве исходного материала рекомендуем использовать созданные в результате проведённой работы гибридные формы с высокой селекционной ценностью: Сирс 57  Укро, Укро  К–3881, Укро  Сокол Харьковский.
3. Результаты исследований по разработке программно-алгоритмического
комплекса по селекции тритикале рекомендованы к применению в научноисследовательских, образовательных учреждениях, а также селекционных станциях, занимающихся вопросами выведения новых сортов (заседание НТС ФГБУ
СО АН, протокол №1 от 29.03.2012 г.).
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ
Статьи, опубликованные в зарубежной печати и в ведущих рецензируемых
научных журналах, рекомендованных ВАК России
1. Grebennikova, I. G. Diallel Analysis of the spike lets per spise in spring triticale
/ Grebennikova I. G., Aleynikov A. F, Stepochkin P. I. // Bulgarian Journal of Agricultural Science. – 2011. – № 6. – P. 755-759.
2. Гребенникова, И.Г. Диаллельный анализ длины колоса у яровой тритикале / И.Г. Гребенникова, А.Ф. Алейников, П.И. Стёпочкин // Сибирский вестник
с.-х. науки. – 2010. – № 12. – С. 103-109.
3. Гребенникова, И.Г. Компьютерная программа обеспечения селекционного
процесса зерновых культур (на примере тритикале) / И.Г. Гребенникова, А.Ф.
Алейников, П.И. Стёпочкин // Ползуновский вестник. – 2011. – №2/2. – С. 12-133.
4. Гребенникова, И.Г. Диаллельный анализ числа колосков в колосе яровой
тритикале / И.Г. Гребенникова, А.Ф. Алейников, П.И. Стёпочкин // Сибирский
вестник с.-х. науки. – 2011. –№ 7,8. – С. 77-85.
16
5. Гребенникова, И.Г. Информационное обеспечение селекционного процесса тритикале. / И.Г. Гребенникова, А.Ф. Алейников, П.И. Стёпочкин // Вестник
НГАУ.– 2011. – № 4(20).– С. 10-15.
6. Гребенникова, И.Г. Компьютерные технологии оценки селекционного
материала яровых тритикале / И.Г. Гребенникова, А.Ф. Алейников, П.И. Стёпочкин // Достижения науки и техники АПК. – 2012. – № 9.– С. 79-82.
7. Чанышев, Д.И. Алгоритм прогнозирования показателей качества пищевого сырья на ранней стадии его производства / Д.И. Чанышев, А.Ф. Алейников,
И.Г. Гребенникова, П.И. Стёпочкин // Сибирский вестник сельскохозяйственной
науки. – 2012. – №3. С.129-131.
8. Чешкова, А.Ф. Компьютерная программа «Анализ экологической пластичности сельскохозяйственных культур» / А.Ф.Чешкова, И.Г. Гребенникова,
А.Ф. Алейников, П.И. Стёпочкин // Достижения науки и техники АПК. – 2013. –
№ 8. – С. 74-76.
9. Чешкова, А.Ф. Компьютерная программа «Интегральная селекционная
оценка сельскохозяйственных культур» / А.Ф. Чешкова, А.Ф. Алейников, П.И.
Стёпочкин, И.Г. Гребенникова // Достижения науки и техники АПК. – 2013. – №
12. – С. 69-71.
10. Гребенникова, И.Г. Анализ экологической пластичности тритикале /
И.Г. Гребенникова, А.Ф. Алейников, П.И. Стёпочкин // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. – 2013. – № 3. – С. 101-106.
11. Чешкова, А.Ф. Программный комплекс для информационноаналитической поддержки селекции сельскохозяйственных культур / А.Ф. Чешкова, А.Ф. Алейников, П.И. Стёпочкин, И.Г. Гребенникова // Достижения науки и
техники АПК. – 2015. – № 4. – С. 80-82.
Свидетельства о государственной регистрации компьютерных программ
1. Диаллельный анализ селекции сельскохозяйственных культур: свидетельство
об офиц. регистрации программы для ЭВМ Российская Федерация / Алейников А.Ф.,
Стёпочкин П.И., Гребенникова И.Г.– № 2011613440; опубл. 29.04.2011.
2. Анализ экологической пластичности сельскохозяйственных культур: свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ Российская Федерация / Алейников
А.Ф., Стёпочкин П.И., Гребенникова И.Г., Чешкова А.Ф.– № 2013611494; опубл.
15.01.2013.
3. Интегральная селекционная оценка сельскохозяйственных культур: свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ Российская Федерация / Чешкова А. Ф.,
Алейников А.Ф., Стёпочкин П.И., Гребенникова И.Г.– № 2013661141; опубл. 29.11.2013.
Научно-методические рекомендации
1. Алейников, А. Ф. Программно-алгоритмические средства и искусственные нейронные сети в селекции растений: научно–методические рекомендации / А. Ф. Алейников, Д. Н. Голышев, И. Г. Гребенникова, П. И. Стёпочкин, Д.И. Чанышев // СО Россельхозакадемии. – Новосибирск: Изд-во ИПФ «АГРОС», 2008. – 16 с.
2. Алейников, А. Ф. Создание системы информационных ресурсов аграрной науки
Сибири: научно-методические рекомендации /А.Ф. Алейников, В.В. Бородина, И.Г. Гребенникова, А.Ф. Чешкова // Новосибирск, 2010. – 32 с.
В сборниках научных конференций опубликовано 27 работ.
17
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа