Селекция гороха ( Pisum sativum L.) На повышение эффективности симбиотической азотфиксации

Вид материала

Оценка клубенькообразующей способности.
Нитрогеназная активность.
Rhizobium leguminosarum bv. viciae
Pisum sativum subsp. elatius
Симбиотическая деятельность сортообразцов гороха различных морфотипов.
Биомасса растения.
Семенная продуктивность.
Взаимосвязь продуктивности с основными симбиотическими признаками и показателями.

Подобный материал:

1 2 3 4 5

Оценка клубенькообразующей способности. Сорта гороха значительно различаются между собой по способности фиксировать атмосферный азот. Поэтому во многих странах проводятся работы по созданию генотипов гороха с высокой интенсивностью симбиотической азотфиксации (Bliss et al., 1989). При этом часто отмечается положительная корреляция между повышенной урожайностью и числом образовавшихся клубеньков (Pereira et. al., 1993).

У гороха установлены значительные сортовые различия по клубенькообразующей способности (табл. 1). В условиях достаточно увлажненных 1988 и 1989 гг. на корнях растений формировалось в 2…3 раза больше клубеньков по сравнению с 1987 г, который был слабозасушливым.

Таблица 1 – Оценка клубенькообразующей способности сортообразцов гороха в полевых условиях при спонтанной инокуляции,

среднее за 1987…1989 гг.

Число клубеньков на 1 растение, шт.			Масса клубеньков на 1 растение, мг.
1987 г	1988 г	1989 г	1987 г	1988 г	1989 г
Раннеспелые (n=72)
8,8+0,21	25,4+ 1,12	19,6+0,57	10,6+1,34	31,7+1,61	24,5+0,98
Среднеспелые (n=75)
16,8+1,30	35,7+2,15	29,8+0,73	21,4+1,28	45,3+2,17	37,8+1,26
Позднеспелые (n=75)
27,7+2,27	50,3+3,36	38,5+1,83	35,2+0,64	62,9+1,54	48,1+2,33

Сорта Рондо, Уладовский 303, Торсдаг, Рамонский 77, Смарагд, ДВ-499, Орловский 2, Expero, Neugaterslebener 5099, Jupiter, Naldino, Finale, Paula, Норд, Зубр формировали от 41 до 97 клубеньков размером 0,2… 2,5 мм. Сортообразцы гороха к-1881, к-1884, к-1887, к-6559 и л. 2150 не вступали в симбиоз с местными штаммами клубеньковых бактерий и не формировали клубеньков. Наиболее отзывчивыми на инокуляцию производственным штаммом ризобий 250а в среднем за годы изучения были сортообразцы Торсдаг, Битюг, Rondo, Finale (77,0+5,32; 60,0+2,16; 92,0+3,12 и 108,0+3,57 клубеньков/растение соответственно), которые предлагаются в качестве источников высокой клубенькообразующей способности для селекции на повышенную эффективность азотфиксации (рис. 1).

При внесении высоких доз азота (N₁₂₀) на корнях сортообразцов гороха клубеньки практически не образовывались. Это согласуется с литературными данными о снижении индекса клубенькообразования с увеличением содержания азота в почве (Park S.J., Butterly B.R., 1989).

Оценка высокопродуктивных сортов по клубенькообразующей способности при инокуляции отселектированными штаммами ризобий № 13 и №14 (ВНИИЗБК) показала, что все генотипы положительно реагировали на штамм №13. При инокуляции этим штаммом число клубеньков увеличилось в 1,1…1,5 раза, а продуктивность - в 1,3…1,8 раза по сравнению с контролем.

Рис. 1 - Число клубеньков на корнях растений гороха,

среднее за 1987…1989 гг.

Сорт Finale выделился положительной отзывчивостью на все испытываемые штаммы, но больше всего клубеньков и семян образовалось при внесении штамма 13. У сорта Зубр при инокуляции шт. №13 в 1990 г. отмечено меньшее число клубеньков и снижение продуктивности по сравнению с контролем, а в 1991 г., наоборот, отмечалось увеличение обоих показателей.

Сравнительное изучение клубенькообразования у генотипов гороха, отражающих различные периоды селекции культуры показало, что в ходе культурной эволюции способность растений к симбиотической азотфиксации существенно не улучшилась. Среди современных сортообразцов гороха и слабоокультуренных форм имеются генотипы, как с высоким, так и с низким уровнем клубенькообразования.

Установлено, что характер клубенькообразования у мутантов гороха не зависит от степени выражения этого признака у исходного сорта. Так, если у сорта Finale отмечено высокое число клубеньков на корнях растений, то у большинства мутантов, индуцированных из этого сорта, клубенькообразование оказалось гораздо слабее – от 63 до 98% по сравнению с исходным сортом. У мутантов, полученных из сорта Зубр, выделены формы, как с повышенным, так и пониженным числом клубеньков. Из 10 изученных мутантов, индуцированных из сорта Зарянка, самым высоким уровнем клубенькообразования характеризовались две высокорослые, позднеспелые формы.

Таким образом, нет определенной взаимосвязи между типом морфологического мутанта и уровнем клубенькообразования. Однако среди высокорослых позднеспелых морфотипов формы с более высоким уровнем клубенькообразования встречаются чаще, чем среди низкорослых, карликов и скороспелых сортообразцов.

Нитрогеназная активность. Как показывают результаты наших исследований и работы других ученых, общая нитрогеназная активность может рассматриваться как интегральный показатель, который характеризует активность симбиотической системы.

Самое низкое значение нитрогеназной активности было отмечено в засушливом 1987 году, а наиболее высокое – в достаточно увлажненном 1988 году. Нитрогеназная активность позднеспелых генотипов была несколько выше, чем у раннеспелых и среднеспелых (табл. 2). В среднем за годы изучения при спонтанной инокуляции были выделены 14 сортообразцов гороха с повышенной нитрогеназной активностью от 67,5±1,05 мкг N₂/раст. час. (Neugaterslebener 5099) до 287,1±3,61 (Торсдаг) мкг N₂/раст. час. Наиболее низкое значение показателя в расчете на 1 клубенек - 1,5±0,23 мкг N₂/раст. час., отмечено в 1987 году у растений сортообразца Neugaterslebener 5099а; наиболее высокое – 3,3 и более мкг N₂/раст. час. – у сортообразцов Торсдаг, Paula, Зубр.

Таблица 2 – Нитрогеназная активность сортообразцов гороха различных групп спелости в полевых условиях при спонтанной инокуляции,

среднее за 1987…1989 гг.

Активность азотфиксации, мкг N₂/раст. час
на 1 растение			на 1 клубенек
1987 г.	1988 г.	1989 г.	1987 г.	1988 г.	1989 г.
Раннеспелые (n=72)
15,8±1,41	71,1±1,23	50,9±1,37	1,8±0,11	2,8±0,23	2,6±0,17
Среднеспелые (n=75)
30,2±1,18	107,4±1,64	86,4±1,05	1,8±0,13	3,0±0,19	2,9±0,20
Позднеспелые (n=75)
58,2+1,31	165,9+1,95	115,5+1,47	2,1+0,27	3,3+0,27	3,0+0,18

При инокуляции производственным штаммом Rhizobium leguminosarum bv. viciae 250а нитрогеназная активность сортообразцов Торсдаг, Rondo и Finale была в 1,3…1,8 раза выше, чем у контроля. У сорта Зубр максимальное значение показателя в расчете на одно растение отмечено в варианте с инокуляцией штаммом №13 (176,0±9,18 мкг N₂/раст. час.), а минимальное – при обработке семян штаммом 250а (100,0±11,24 мкг N₂/раст. час.). Активность нитрогеназы в пересчете на один клубенек у растений сорта Зубр оказалась максимальной в варианте с инокуляцией штамм 250а (2,5±0,14 мкг N₂/раст. час.).

Установлено, что высокими показателями нитрогеназной активности характеризовались представители подвидов Pisum sativum subsp. elatius (Bieb.) Schmalh (к-1947) – 92,6 мкг N₂/раст. час. и Pisum sativum subsp. abissinicum L. (к-2759) – 68,1 мкг N₂/раст. час, наиболее низкие показатели были у сортообразца Pisum sativum subsp. asiaticum L. (к-5260) – 17,6 мкг N₂/раст. час., что вероятно, обусловлено несовместимостью их со штаммами ризобий европейского происхождения.

Среди местных сортов-популяций высокий уровень нитрогеназной активности растения выявлен у сортообразца к-284 (75,9 мкг N₂/раст. час.), а наименьший (43,5 мкг N₂/раст. час) - у сортообразца к-1487. Нитрогеназная активность растений гороха сортов Капитал и Торсдаг составила 52,3 и 97,9 мкг N₂/раст. час. У сортов гороха, созданных в 1980 – 90-е годы, значение этого показателя колебалось от 58,3 мкг N₂/раст. час. (Труженик) до 95,7 мкг N₂/раст. ∙ час. (Орловчанин), а у сортов, созданных в 2000 – 2005 гг. – от 42,8 мкг N₂/раст. ∙ час. (Визир) до 82,1 мкг N₂/раст. час. (Триумф).

Симбиотическая деятельность сортообразцов гороха различных морфотипов. Исследованиями установлено, что на формирование симбиотического аппарата различных генотипов гороха в полевых условиях при спонтанной инокуляции существенное влияние оказывают метеорологические условия, складывающиеся в процессе роста и развития растений. Понижение влажности почвы до 40% НПВ в слое 0…20 см в период начала образования клубеньков в засушливые 1999 и 2002 гг. явилось причиной низкой зараженности растений клубеньковыми бактериями - нодуляция растений не превысила 39%. Некоторое улучшение водного режима к фазе бутонизации – начала цветения способствовало увеличению количества клубеньков на корнях растений.

Продолжительность функционирования клубеньков на корнях сортообразцов гороха зависела от влагообеспеченности посевов и продолжительности вегетационного периода. При недостатке влаги в почве и ускоренном развитии растений в 1999 г. продолжительность общего симбиоза варьировала от 62 суток у короткостебельных сортообразцов Смарагд, Норд и Орлус до 68 суток у сортообразца к-1947. В излишне увлажненном 2000 году общая продолжительность симбиоза изменялась от 65 суток (Норд, Орлус) до 75 суток (к-2376, Торсдаг). В среднем за годы изучения значение этого показателя изменялось от 64 до 70 суток.

Поскольку показатель продолжительности общего симбиоза не отражает времени активной работы симбиотического аппарата, то для ее характеристики Г.С. Посыпанов и Л.Д. Князева (1975) ввели показатель эффективного или активного симбиоза, то есть того периода, когда клубеньки содержат леггемоглобин и усваивают азот воздуха. Установлено, что в засушливых условиях 1999 и 2002 гг. активный симбиоз был на 6 – 7 суток меньше, чем в 2000 и 2001 гг.

В среднем за годы изучения наибольший общий симбиотический потенциал - 2128,2 кг∙дн./га был сформирован сортом Торсдаг, наименьший - 1086,4 кг∙дн./га – сортом Труженик. В неблагоприятных для симбиоза 1999 и 2002 гг. – общий симбиотический потенциал у всех сортообразцов гороха был в 1,5..2,0 раза ниже, чем в 2000 и 2001 гг.

Высокий активный симбиотический потенциал - 2440,0 кг∙дн./га сформировали растения гороха сорта Капитал в 2001 г., самый низкий - 230,0 кг∙дн./га растения сорта Норд в 2002 г.

На темно-серых среднесуглинистых почвах местные штаммы ризобий обладают высокой эффективностью. Общая масса клубеньков, сформировавшихся на корнях растений, варьировала в среднем по всем сортообразцам от 9,3 кг/га в засушливом 2002 г. до 37,2 кг/га - в наиболее благоприятном 2001 г. (табл. 3).

Таблица 3 – Симбиотическая деятельность сортообразцов гороха в

полевых условиях при спонтанной инокуляции, среднее за 1999…2002 гг.

Показатели	1999 г.	2000 г.	2001 г.	2002 г.
Общая масса клубеньков, кг/га	12,8	28,9	37,2	9,3
Активная масса клубеньков, кг/га	8,6	24,4	30,3	5,8
АСП, кг·дней/га	474,3	1554,9	1770,1	298,9
УАС, г/кг в сутки	2,8	4,6	5,1	1,4
Фиксированный азот воздуха, кг/га	15,1	39,7	53,3	10,3
Доля фиксированного азота, %	28,8	35,7	50,2	13,7
Почвенный азот, кг/га	71,2	64,3	49,8	65,3
НСР₀₅ по массе клубеньков	3,87	3,12	4,25	3,21

Активная масса клубеньков за годы изучения изменялась от 5,8 кг/га в 2002 г. до 30,3 кг/га - в 2001 г.

Определенный интерес при изучении исходного материала в симбиотической селекции представляет величина удельной активности симбиоза (УАС), которая в засушливых условиях снижалась в 1,5-3,0 раза по сравнению с оптимальными условиями вегетации.

Самая высокая доля фиксированного азота была отмечена в 2001 г. - 53,3 кг/га или 50,2%. Слабее всего растения гороха фиксировали атмосферный азот в условиях засушливых 2002 г. - 10,3 кг/га или 13,7% и 1999 г. - 15,1 кг/га или 28,8%.

Биомасса растения. Формирование биомассы растения и отдельных его органов является результатом не только ассимиляционной деятельности фотосинтезирующих тканей, но и функционирования корневой системы (Новикова, 1999).

Установлено, что после всходов у лучших районированных и перспективных сортообразцов (Орловчанин, Орлус, Норд, Юниор, Триумф) корень был длиннее стебля в 2,5-5,0 раз. Коэффициент корреляции между массой корней и массой надземных органов в фазе 6 настоящих листьев в полевых условиях достигал r= +0,921. Редукция листового аппарата у сортов (Норд, Орлус, Триумф) вызвала изменения развития корневой системы, а генетически обусловленные уменьшение массы и площади листьев аналогичным образом ухудшают развитие корневой системы.

Сорта гороха с усатым типом листа и с хорошо развитыми прилистниками (Норд, Триумф, Орлус) по биологической продуктивности не уступали обычным (листочковым) сортам, а зачастую и превосходили их (табл. 4).

Таблица 4 – Продуктивность биомассы у сортов гороха различных

морфотипов, среднее за 2003…2005 гг.

Сортообразец	Биомасса при уборке, г/растение
Сортообразец	полевой опыт	вегетационный опыт
Орловчанин	9,2±0,83	4,6±0,57
Труженик	8,6±1,02	5,8±0,69
Норд	7,1±0,97	4,7±0,71
Орлус	8,6±0,68	4,9±0,66
Триумф	8,2±0,85	4,9±0,52

В условиях ценоза генотипическая изменчивость биомассы у сортов гороха с одинаковой продолжительностью вегетационного периода была невысокой (7,0 – 12,0%) и не зависела от морфотипа (Соловов, Наумкина, 2007). В вегетационных опытах при создании оптимальных условий питания и увлажнения почвы сорта с усатым типом листа по продуктивности биомассы уступали листочковым.

Семенная продуктивность. В конце ХХ века селекция гороха базировалась на преобладании в генотипах новых сортов рецессивных генов (короткостебельности, усатого типа листа, неосыпаемости семян, детерминации стебля и т.д.), что ускорило процесс морфофизиологической дифференциации и специализации сортов. Однако, нельзя не признать, что остаются недостаточно изученными механизмы поддержания высокой продуктивности создаваемых сортов, их адаптации к условиям выращивания, устойчивости к абиотическим и биотическим факторам (Беляева и др., 2006; Кондыков и др., 2006).

Изучение архитектоники и продуктивности гороха с целью выделения генотипов, сочетающих высокую семенную продуктивность и симбиотическую активность показало, что у сортообразцов по мере накопления в генотипе гороха рецессивных генов происходит снижение семенной продуктивности (табл.5).

Таблица 5 – Семенная продуктивность сортообразцов гороха, г/растение,

среднее за 2003 … 2005 гг.

Сорт, линия	Генотип	2003 г	2004 г	2005 г	Среднее за 3 года
Смарагд	lm, Af	4,7±0,26	5,0±0,34	4,9±0,25	4,8±0,28
Неручь	lm,Af, def	4,5±0,22	5,2±0,49	4,8±0,21	4,8±0,31
Норд	lm, af, def	5,8±0,43	6,0±0,52	5,2±0,43	5,6±0,46
Демон	lm, af,def, det	4,2±0,65	4,6±0,47	5,0±0,54	4,6±0,55
НСР₀₅		0,236	0,253	0,213

Максимальная семенная продуктивность - 6,0±0,52 г отмечена в достаточно увлажненном 2004 году у растений сорта Норд, минимальная - 4,2±0,65 г в избыточно увлажненном 2003 г. у растений сорта Демон.

Сравнительная оценка сортообразцов гороха по признакам, слагающим семенную продуктивность и симбиотическим показателям позволило разделить их на три группы: высокопродуктивные с массой семян с растения 5,54 г.: Орлус, Норд, Мадонна, Баккара, Мультик, Памяти Варлахова; среднепродуктивные с массой семян с растения 5,20 г.: Труженик, Орловчанин, Чарльстон, Алла, Солара, Орпела, Badminton и низкопродуктивные с массой семян с растения 4,2 г: Демон, Неручь, Батрак, Визир, Classik, Орловчанин 2, ЛУ 268-99 (табл.6).

По массе сухого растения среднепродуктивные сорта превзошли высокопродуктивные и низкопродуктивные на 0,1- 0,4 г и 0,6 - 0,9 г. Растения высокопродуктивных сортов наиболее эффективно используют продукты фотосинтеза на формирование зерна. Коэффициент хозяйственной деятельности в этой группе составлял 53,2-55,2%, что на 7,0-9,0 % выше, чем у остальных сортов.

Выявлена тенденция снижения белковости при повышении продуктивности. Семена сортов высокопродуктивной группы содержали в среднем 24,0% белка, средне- и низкопродуктивной - 23%. Наибольшим процентом белка характеризовался сорт Памяти Варлахова - 27,0%.

Таблица 6 – Сравнительная характеристика сортообразцов гороха по

признакам, слагающим семенную продуктивность и симбиотическим

показателям, среднее за 2003…2005 гг.

Признак	Высокопродук тивные		Среднепродук тивные		Низкопродук тивные
Признак	без инок.	инок. шт.245а	без инок	инок. шт.245а	без инок	инок. шт.245а
Масса семян с растения, г	5,42	5,50	5,2	5,2	4,3	4,6
Масса 1000 семян, г	234	235	243	244	230	233
Масса сухого растения, г.	9,9	10,0	10,0	10,4	9,1	9,8
Продолжительность вегетационного периода, сут.	78	79	77	78	75	76
Содержание белка в семенах, %	23	23	24	24	24	24
Число клубеньков на корнях растения,	85	102	72	100	72	92
Нитрогеназная активность, мкг N₂/раст. ∙ час.	11,6	15,3	10,4	15,1	12,3	14,5

Предпосевная инокуляции сортов гороха производственным штаммом клубеньковых бактерий способствовала формированию большего числа клубеньков на корнях растений сортов гороха всех групп продуктивности. При этом нитрогеназная активность сортов высокопродуктивной группы возросла на 3,7 мкг N₂/раст. час. по сравнению с контролем; средне и низкопродуктивных групп соответственно на 4,7 и 2,2 мкг N₂/раст. ∙ час.

Взаимосвязь продуктивности с основными симбиотическими признаками и показателями. Для повышения эффективности селекции гороха на урожайность и симбиотическую активность необходимо выявление взаимосвязи семенной продуктивности с элементами ее структуры и симбиотическими показателями и выделение тех признаков, по которым можно эффективно проводить отбор в конкретной климатической зоне.

Изучение корреляционных связей между хозяйственно ценными признаками и симбиотическими показателями у гороха показало, что на семенную продуктивность существенное влияние оказывают: число семян с растения (r=0,52 … 0,61); число бобов с растения (r=0,52… 0,73); число продуктивных узлов на растении (r= 0,49 … 0,71); масса 1000 семян (r=0,44… 0,59); масса сухого растения (r=0,37…0,52), число активных клубеньков на корнях растения (r= 0,35…0,48) и нитрогеназная активность (r= 0,32 … 0,41) (табл.7).

Таблица 7 – Взаимосвязь семенной продуктивности гороха с хозяйственно-ценными признаками и симбиотическими показателями,

среднее за 2003…2005 гг.

Признаки	Семенная продуктивность
Признаки	2003 г	2004 г	2005 г
Число продуктивных узлов на растении	0,49±0,083*	0,71±0,118*	0,63±0,147*
Число бобов на растении	0,52±0,110*	0,73±0,096*	0,66±0,130*
Число семян с растения	0,52±0,147*	0,61±0,114*	0,58±0,089*
Масса 1000 семян	0,44±0,102*	0,59±0,121*	0,52±0,088*
Масса сухого растения	0,37±0,076*	0,52±0,110*	0,44±0,124*
Число активных клубеньков на корнях растения	0,35±0,014	0,47±0,047*	0,48±0,035*
Нитрогеназная активность	0,41±0,051*	0,32±0,032	0,37±0,028*

* Достоверно при Р_0,05

Установлено также, что признак число семян с растения имеет положительную корреляцию с признаками число бобов на растении (r=0,89…0,97) и числом продуктивных узлов (r=0,89–0,91). Следует отметить наличие отрицательной связи массы 1000 семян с числом бобов на растении (r=- 0,33 … - 0,51), числом семян с растения (r= -0,41…-0,55), числом продуктивных узлов (r=-0,29 …-0,43).

Blog

Селекция гороха ( Pisum sativum L.) На повышение эффективности симбиотической азотфиксации