Селекція рослин на стійкість до шкідливих організмів

---

Лекція 5

Селекція рослин на стійкість до шкідливих організмів

Методи селекції та імунітет до шкідливих організмів

При селекції на імунітет застосовують ті ж самі методи, що й при селекції на інші ознаки:

- добір стійких рослин серед існуючих форм (селекція);

- гібридизація (схрещування);

- поліплоїдія;

- мутагенез;

- біотехнологія;

- генна інженерія.

Добір – основа селекції. У практичній селекції застосовують 2 види добору – масовий та індивідуальний. При масовому доборі з вихідної популяції в полі відбирають велику кількість рослин за комплексом ознак, властивих майбутньому сорту, у т.ч. і за стійкістю проти певної хвороби чи шкідника, або їх комплексу. Урожай з відібраних рослин об’єднують і висівають на одній ділянці. Таким чином, майбутній сорт при масовому доборі – це потомство загальної маси кращих відібраних за певною ознакою рослин.

Масовий добір поділяють на:

- одноразовий;

- багаторазовий.

Масовий одноразовий добір ефективний у самозапильних рослин і часто використовується для оздоровлення сорту у насінницькій практиці. Його ще називають оздоровлюючим.

Масовий багаторазовий добір застосовують як при створенні нових сортів, так і при поліпшенні існуючих. Переважно використовують цей метод добору в селекції перехреснозапильних культур.

Індивідуальний добір. Із популяції сорту, гібридних поколінь чи мутантів відбирають окремі рослини, і потомство кожної з них у подальшому розмножують та вивчають окремо. Це дає можливість перевірити генетичну цінність кожної з них. Нині індивідуальний добір є одним із найінтенсивніших методів селекції, так як гібридизація, штучний мутагенез, біотехнологія і генна інженерія є постачальниками матеріалу для індивідуального добору.

Індивідуальний добір буває одноразовим та багаторазовим:

- індивідуальний одноразовий застосовується в селекції самозапильних культур і відібрана один раз рослина за певною ознакою проводиться через усі ланки селекційного процесу;

- індивідуальний багаторазовий застосовується в селекції перехресно-запильних культур, де одноразовий неефективний через високий ступінь гетерозиготності.

Створення сорту методом індивідуального добору потребує багато часу, так як сорт зароджується з однієї відібраної рослини. Однак, цей недолік компенсується його великою перевагою – можливістю контролювати певну ознаку відібраної рослини у потомстві на всіх етапах селекційного процесу.

Гібридизація

Це процес схрещування між собою двох або більше батьківських форм, які різняться за спадковими властивостями. Організми, що утворилися при схрещуванні і поєднують у собі спадкові властивості батьківських форм, називають гібридами.

У селекції на імунітет застосовують статеву гібридизацію.

Гібридизація буває внутрішньовидова і віддалена (міжвидова, міжродова).

Особливе місце займають беккроси (зворотні схрещування).

Внутрішньовидова гібридизація

Це схрещування між рослинами одного виду.

В селекції на імунітет вона може бути ефективною, якщо одна або кілька батьківських форм мають гени стійкості, які ще не подолані в результаті мінливості патогена.

Віддалена гібридизація

Схрещування між рослинами, які належать до різних різновидів, видів, родів.

При віддаленій гібридизації існує цілий ряд проблем, пов’язаних із незбалансованістю геномів і, відповідно, хромосом у батьківських форм, стерильністю гібридів першого покоління, зчепленням стійкості з небажаними господарськими ознаками тощо. Однак, на теперішній час розроблено методи, які дають можливість успішно розв’язувати ці проблеми. Віддалена гібридизація має велике значення у створенні сортів, стійких проти шкідливих організмів. Про це свідчать багато прикладів. Так, наприклад, при схрещуванні культурного і дикорослого соняшнику створено стійкі до іржі сорти; до нових рас вовчка і н.б.р, що походить від топінамбура.

Широко відомі у світі пшенично-пирійні гібриди;

стійкі проти раку, фітофторозу і деяких вірусів сорти картоплі, стійкість яких походить від південноамериканських диких видів;

стійкі до вілту сорти бавовнику;

сорти тютюну, стійкі до ВТМ, кореневої гнилі і пероноспорозу і багато інших прикладів.

Можливості віддаленої гібридизації на сьогодні не вичерпані.

Беккроси (зворотні схрещування) – це різновид гібридизації, при якій гібрид F₁ не самозапилюється, а схрещується з одним із батьків.

Беккроси є ефективним способом "ремонту" сортів, тобто надання хорошому у всіх відношеннях сорту відсутньої у нього ознаки, наприклад, стійкості до хвороби.

Недолік цього методу в тому, що при беккросуванні не можна створити сорт, який би за продуктивністю перевершив сорт-реципієнт.

Експериментальний мутагенез в селекції рослин на імунітет

до шкідливих організмів

Мутанти є значною селекційною цінністю, оскільки можуть мати нові, раніше не відомі корисні ознаки.

До того часу, поки метод гібридизації став основним у покращенні різних с.-г. культур, цю функцію виконували природні мутації. Завдяки природному мутагенезу спонтанно виникли три гени карликовості у японського сорту озимої пшениці, карликовий мутант рису, які передано сотням короткостеблових сортів інтенсивного типу. Це зумовило "зелену революцію" в країнах Азії, які потерпали від нестачі продовольства. Мутації кукурудзи opaque – 2 I floury – 2, що поліпшують якість білка в зерні включено в популяції цієї культури у всьому світі.

І все-таки природні мутації не можуть задовольнити потреб селекціонерів, так як вони мають невисоку частоту, їх досить важко виявити і контролювати. Тому важливішим є метод штучного мутагенезу, що дає можливість отримати життєздатні, корисні мутації. В їх основі спрямована дія на рослинні організми різноманітних фізичних та хімічних факторів – мутагенів (іонізуючого, ультрафіолетового, лазерного випромінювання, різних класів хімічних речовин, тощо).

За характером змін, що відбуваються у генотипах рослин, мутації ділять на 2 основних типи:

1) генні (точкові) – зміни молекулярної структури гена, що мутував);

2) хромосомні (транслокації) – зміни в структурах хромосом.

Часто відбуваються і геномні мутації (анеуплоїди, поліплоїди).

Для селекціонерів ціннішими є генні (точкові) мутації, так як хромосомні перебудови, як правило, призводять до негативних результатів.

Добори мутацій здійснюють у М₁ або М₂, перевіряючи чи успадковується нова ознака. Позитивний результат свідчить про отримання мутації.

Виявлення та аналіз мутацій у самозапилювачів

1. Виділення мутацій. Мутації стійкості виділяють у М₁ або М₂ на жорсткому природному, провокаційному або штучному інфекційному фоні. Насіння відібраних стійких рослин висівають окремими сім’ями для наступного покоління (М₃). Оцінюють умінні властивості М₃ також на інфекційних фонах.

2. Перевірка мутацій на константність. Відібрані стійкі сім’ї впродовж кількох поколінь перевіряють на константність ознаки (за наявністю чи відсутністю розщеплення).

3. Встановлення домінантності чи рецесивності мутації.

Природні гени стійкості найчастіше домінантні. З практичної точки зору ціннішими є рецесивні мутації стійкості, так як вони зумовлюють неспецифічну стійкість рослин проти хвороб, що є тривалішою.

4. Визначення типу мутацій.

Найціннішими є генні (точкові) мутації, так як вони не пов’язані з хромосомними перебудовами, бо ці перебудови призводять до стерильності пилку і, відповідно, до безпліддя. Визначити тип мутації, наприклад у зернових культур, можна двома шляхами:

- за озерненістю колоса (причиною зниження озерненості може бути стерильність пилку, що свідчить про хромосомну мутацію). Відсутність відхилень від норми за цим показником свідчить про генну мутацію;

- за мейозом у F₁ гібридів мутант х вихідний сорт. Наявність у мейозі різних відхилень (гетероморфних бівалентів, мультивалентів і унівалентів) свідчить про перебудову хромосом, тобто хромосомну мутацію.

Виявлення мутацій у перехреснозапильних культур

Сорти перехреснозапильних культур є популяціями з високим рівнем гетерозиготності. Гетерозиготність популяції підтримує в ній рівень гетерозису і паралельно ускладнює виявлення і виділення будь-якої мутації (в т.ч. і стійкості). При вільному запиленні спостерігається складне розщеплення, а інбридинг призводить до депресії, внаслідок чого може знижуватись і рівень стійкості. Крім того, переведенню нової мутації у гомозиготний стан заважає явище несумісності. Тому методи використання мутацій стійкості у перехресників розроблено недостатньо і істотних результатів мутаційної селекції не так багато.

Виявлення та аналіз мутацій у рослин, що розмножуються вегетативно

Особливістю рослин, що розмножуються вегетативно, є їх висока гетерозиготність, що призводить до складних розщеплень у потомстві при розмноженні насінням. Тому мутагенез у даному разі є одним із ефективніших способів зміни генотипу таких рослин.

Мутагенами можна діяти на насіння, живці, бульби, цибулини, а мутанти виявляти серед рослин М₁, що розвиваються із них. Часто дія мутагенів призводить до появи в М₁ морфозів – змін, що виникають унаслідок пошкодження мутагенами окремих ділянок тканин. Типовими ознаками морфозів є роздвоєння пагонів і листків.

Часто під дією мутагенних факторів утворюються химери (химерність пагонів). Оскільки пагони є багатоклітинними утвореннями, то під дією мутагенів в одних клітинах відбуваються мутаційні процеси, а в інших – не відбуваються.

Так як при вегетативному розмноженні відсутній мейоз, то мутації у них як генотипи складної структури можуть зберігатись і передаватись наступним поколінням.

Таким чином, вивчати генетичну природу мутацій стійкості у культур, що розмножуються вегетативно, важко. Однак, використання їх в селекції перспективне.

Біотехнологія і генна інженерія

У с.-г. виробництві з’явились сорти, створені за участю біотехнологічних методів, тобто маніпуляцій in vitro.

Всі біотехнологічні методи поділяють на 2 групи:

1) культура клітин і тканин;

2) генна інженерія.

Як в першому, так і в другому випадках створюють донори-носії генів стійкості, які потів включають у звичайний селекційний процес через гібридизацію і наступні добори.

Культуру клітин і тканин при селекції на стійкість ведуть на селективному середовищі з токсином, властивим даному патогену, або з фільтратом із культури патогена, що утримує токсин. Якщо концентрація токсина підібрана вдало, тобто при даній концентрації спостерігається загибель клітин, а якась частина зберігає життєздатність, це означає, що дані клітини мають спадкову стійкість до патогена. Якщо вдається досягти регенерації рослин із цих клітин, то можна в результаті отримати стійкі форми.

Більших результатів можна досягти за допомогою генної інженерії.

Генна інженерія – це сукупність прийомів і методів реконструювання генома рослини за допомогою чужорідних ДНК для зміни їх генетичних властивостей.

Методами генної інженерії отримані трансгенні рослини з геном хітінази, яка руйнує хітин оболонок грибів, бактеріальної рибонукліази, що викликає реакцію надчутливості, дефензіна, що обмежує ріст гіф.

Значні успіхи досягнуті з переносом в культурну рослину генів ендотоксинів грунтової бактерії Bacillus thuringiensis. На основі генів цієї бактерії отримані генні конструкції, які придають культурам стійкість до шкідливих організмів: кукурудзі – до кукурудзяного метелика, картоплі – до колорадського жука, рису – до ряду небезпечних комах-шкідників.

Генно-інженерні методи застосовують для створення рослин, стійких до вірусів.

Трансгенні рослини, цікаві тим, що вони дозволяють використовувати неспецифічний імунітет, який може захищати рослину тривалий час.