ФГБНУ Федеральный научный центр овощеводства (старший научный сотрудник)
Россия
Россия
Россия
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр кормопроизводства и агроэкологии имени В.Р. Вильямса» (старший научный сотрудник)
сотрудник
Россия
Россия
Представлены результаты селекции перспективного сорта ярового рапса Велес. Сорт создан с ис-пользованием химического мутагенеза. В результате обработки семян сорта Викрос этилметан-сульфонатом в концентрации 0,03% с последующим отбором линий, отличающихся скороспело-стью, устойчивостью к полеганию, улучшенным биохимическим составом семян, получен пер-спективный селекционный материал. Выделена линия № 834-16, отличающаяся ускоренным раз-витием, измененной архитектоникой растения. Отрастание боковых побегов начинается от осно-вания главного побега, нижние междоузлия укорочены, что увеличивает устойчивость растений к полеганию. Боковые побеги первого порядка начинают цветение почти одновременно с главным побегом. Цветение семян на побегах различных порядков проходит одновременно с центральным, что способствует дружному созреванию и выравненности полученных семян. Семена отличаются высоким содержанием жира, содержат меньше клетчатки. Содержание сырого жира варьирует от 47,4 до 48,8%, сырого протеина — 19,7–24,4% сырой клетчатки — 6,52–7,62%. Содержание ценной олеиновой кислоты в составе жирных кислот на 7,15% выше, чем в исходном сорте. Средняя урожайность семян за три года испытаний составила 3,28 т/га, что на 0,64 т/га выше стандарта сорта Викрос. Линия передана в Госкомиссию по сортоиспытанию и охране селекционных достижений под названием Велес. По результатам двух лет испытаний с 2021 г. сорт допущен к использованию по четырем регионам России: Северо-Западному, Центральному, Уральскому и Западно-Сибирскому. Сорт устойчив к полеганию. Гарантирует получение 28–32 т/га зеленой массы с выходом до 6 т/га сухого вещества. Низкое содержание глюкозинолатов в семенах (11,6–13,9 мкмоль/г) позволит использовать семена, жмых и шрот при кормлении животных в повышенных дозах.
рапс яровой, химический мутагенез, сорт, жир, протеин, клетчатка, урожайность семян
Введение. Рапс (Brassica napus L.) является третьим по значимости источником растительного масла в мире после пальмового и соевого [1]. Создание двунулевых (безэруковых, с низким содержанием глюкозинолатов) сортов сделало рапс одним из основных источников растительного масла на мировом рынке с постоянной тенденцией к увеличению его доли в производстве масличных культур [2; 3].
Повышение протеиновой питательности как объемистых, так и концентрированных кормов в лесной зоне возможно за счет расширения площадей посева капустных масличных культур, прежде всего рапса. Использование в производстве сортов рапса с сокращенным вегетационным периодом позволяет продвинуть культуру рапса на север, получать семена без предварительной десикации, сократить затраты на сушку. Селекция на скороспелость играет важную роль в современных условиях интенсификации производства и экономии энергоресурсов [4; 5]. Скороспелость также важна в связи с тем, что в условиях умеренных широт уборка ранних сортов, как правило, приходится на сухой период. Качество масла у скороспелых сортов выше, поскольку недозрелые семена содержат много хлорофилла и свободных жирных кислот, что снижает качества масличного сырья. Для производства требуются также неполегающие низкорослые компактные сорта с устойчивыми к растрескиванию стручками. Вследствие полегания растений и растрескивания стручков теряется до 25–50% урожая [6]. Еще одной задачей селекции рапса является улучшение жирнокислотного состава: повышение количества олеиновой и снижение линолевой и линоленовой кислот, быстро окисляющихся на воздухе. Для повышения питательной ценности рапсовых семян и концентрированных кормов с их участием актуально уменьшение содержания клетчатки, снижающей переваримость и усвояемость кормов, особенно у моногастричных животных.
Помимо урожайности семян, содержание масла в семенах является одним из самых требовательных критериев при разработке сортов рапса. Engqvist G.M. and Becker H.C. (1993) предложили одновременно улучшать урожайность семян и содержание масла и белка [7]. О важности одновременного повышения урожайности семян и содержания масла в рапсе писали Aytac и Kinaci (2009) [8].
Анализ литературы показывает, что в мире создано более 2700 мутантных сортов различных культур с улучшенными агрономическими признаками [9; 10]. Метод мутагенеза также был успешно использован селекционерами растений на рапсе и горчице [11; 12]. С помощью мутагенеза Shah A.S. and Rehman K. (2009) удалось повысить содержание масла в мутанте рапса (43–47%) по сравнению с родительским сортом (41–43%) [13].
В селекционных программах часто используют химический мутагенез, который увеличивает генетическую изменчивость и открывает новые возможности для улучшения морфологических признаков, состава жирных кислот и повышения масличности семян [14]. Среди химических мутагенов алкилирующий агент этилметансульфонат (ЭМС) является наиболее часто используемым мутагеном для растений, поскольку он вызывает высокую частоту нуклеотидных замен, т. е. точечных мутаций. ЭМС применяют, как правило, в высоких концентрациях [15]. Так, для изменения жирнокислотного состава (ЖКС) рапсового масла исследователи использовали растворы ЭМС в концентрациях 0.4, 0.6 и 0.8% [16]; 0.3, 0.42 и 0.73% [17]; 1, 1.2, 1.4, 1.6% [18], 5% [19] или 2%, 5%, 8% [20]. По данным S. Channaoui et al. (2019), по сравнению с контрольными растениями, мутанты, полученные из семян, обработанных низкими дозами, а именно 1% ЭМС, раньше начинали цветение и созревание и имели более высокое количество стручков на растение. Кроме того, они были в целом более приспособлены, чем исходный сорт и другие мутанты, к стрессовым условиям, связанным с низким количеством осадков, высокой температурой и контрастными сроками посева. Это объясняет фенотипическую стабильность и адаптивность этих мутантов в изучаемых средах [18]. В то же время методика, принятая в Институте химической физики им. Н.Н. Семенова, предполагает использование мутагенов, в том числе ЭМС, в низких концентрациях: 0,02–0,1% [21; 22; 23].
Целью настоящей работы было изучение линий с измененным типом ветвления, устойчивостью к полеганию и растрескиванию стручков, различной продолжительностью вегетационного периода, семенной продуктивностью и биохимическими свойствами; отбор и оценка лучших линий в конкурсном испытании, передача перспективной линии в Госкомиссию по сортоиспытанию и охране селекционных достижений в качестве нового сорта.
Материалы и методы. Работа проводилась на сорте ярового рапса Викрос селекции ВНИИ кормов (патент № 3038). Для индуцирования мутаций были использованы три мутагена: этилметансульфонат (ЭМС), диэтилсульфат (ДЭС) и диметилсульфат (ДМС). Семена обрабатывали в Институте химической физики имени Н.Н. Семенова в течение 16 часов в водных растворах мутагенов в следующих концентрациях: ЭМС 0.3, 0.2, 0.04, 0.03, 0.02%; ДМС 0.08, 0.06, 0.02% и ДЭС 0.06, 0.05%. В контрольном варианте семена замачивали в воде.
В результате воздействия ЭМС в концентрации 0,03% на семена рапса была получена и впервые выделена на Кропотовской биостанции ИБР РАН форма поколения М2, давшая начало линиям, сочетающим в себе положительные признаки. В поколении М5 было отобрано 17 линий. Для дальнейшего изучения использовали шесть максимально выровненных по габитусу самоопыленных линий с улучшенным биохимическим и жирнокислотным составом семян.
Растения выращивали в условиях теплицы и поля. В первом опыте семена проращивали в кассетах с перлитом, и сеянцы в фазе двух настоящих листьев пикировали в горшочки с почвой. Затем 25–30 дневную рассаду высаживали в поле в две строчки по схеме 45 × 15 см по 30 растений в трехкратной повторности. Во втором опыте семена высевали селекционной сеялкой на делянки площадью 10 м2 с густотой стояния 70–80 растений в четырехкратной повторности. Самоопыление растений проводили с использованием изготовленных из ультрасила изоляторов.
Оценка проходила на Центральной экспериментальной базе ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса». Закладка питомников проводилась в соответствии с «Методическими рекомендациями по селекции и семеноводству масличных культур», наблюдения и учеты — по методике ВНИИ кормов и ВИР. Использовалась принятая для зоны агротехника: удобрения вносили в норме N60P20K30, защита растений от вредителей проводилась в фазу розетки (от крестоцветной блошки) и в фазу бутонизации (от цветоеда) путем обработки посевов препаратом Децис Эксперт, КЭ (100 г/л) с нормой внесения 0,125 л/га.
Содержание общего азота определяли фотометрически с последующим пересчетом на белок, содержание жира — методом обезжиренного остатка, содержание сырой клетчатки — по Ганнебергу и Штоману. Жирнокислотный состав масла определяли методом газожидкостной хроматографии на приборе Кристалл 2000 М с использованием капиллярной колонки ZB 50 длиной 30 м с компьютерной программой обработки данных. Для идентификации ЖК использовали стандарт Supelco 37 component Fame Mix 10 mg/ml in CH2Cl2 фирмы Supelco (USA). Содержание глюкозинолатов в семенах было определено палладиевым методом на спектрофотометре. Статистическая обработка результатов исследований проведена с использованием «Методики полевого опыта».
Результаты исследований. Исследованиями пакистанских ученых I Ali., H.M. Ahmed and S.A. Shah (2013) была показана эффективность отбора мутантных генотипов рапса с лучшим потенциалом урожайности в ранних поколениях [24]. В нашей работе форма, отобранная в М2 и отличающаяся рядом морфологических признаков, позволила получить к пятому поколению целую серию интересных перспективных линий [25].
Одними из значительных отличий между мутантными формами и растениями дикого типа являются время прохождения фаз развития и характер ветвления. Мутантные растения зацветали на пять–семь дней раньше, чем растения дикого типа. У 50% растений мутантных линий соцветия на главных побегах зацветали через 52–55 дней (от всходов) при выращивании из рассады, и через 44–46 дней при прямом посеве. В пазухах первой пары и второго–третьего настоящих листьев развивались мощные боковые побеги первого порядка (4–5 шт.), которые зацветали на всем растении одновременно через 62–64 дня (из рассады) и через 53–55 дней при прямом посеве. В то же время у растений дикого типа цветение боковых побегов начиналось только через 14–20 дней после зацветания главного соцветия. Для контрольных растений рапса было характерно акротонное ветвление, при котором образование побегов первого порядка происходит сверху вниз, то есть начинается в пазухах листьев, расположенных ближе к главному соцветию, а позднее формируются побеги из нижних узлов. Нижние побеги отрастают на высоте около 15–25 см от корневой шейки, причем нижние междоузлия на главном побеге — не менее 7–10 см. Последние 4–5 междоузлий до главного соцветия укороченные, около 3–5 см. Для мутантных форм с ускоренным типом развития было характерно базитонное ветвление (в направлении снизу вверх). Отрастание боковых побегов начиналось от основания главного стебля. Нижние междоузлия были укороченные, и первые 5–6 побегов первого порядка расположены на расстоянии 1–3 см от корневой шейки (рис. 1). Было отмечено, что изменение архитектуры растения способствует большей устойчивости растений рапса к полеганию. При дружном зацветании нескольких побегов почти одновременно с главным сокращались сроки созревания основной массы семян.
Основная масса стручков отобранных мутантных линий образуется на мощных, хорошо развитых нижних побегах, цветение и созревание семян происходит в равных погодных условиях, не растянуто по времени, что исключает матрикальную разнокачественность семян, причиной которой является асинхронность органообразовательных процессов [26]. Согласно результатам исследований мутантов озимого рапса по гену Wrinkled1 [27] с ускоренным развитием и цветением боковых побегов, его действие обусловливает повышенный синтез и накопление углеводов и их отток из листьев в семена, что способствует увеличению содержания жира в семенах и повышению содержания олеиновой кислоты. Семена наших лучших мутантных линий отличались повышенным содержанием жира, пониженным содержанием клетчатки и улучшенным ЖКС. Линия 834-16 была выделена по этим признакам (табл. 1).
Рис. 1. Цветущее растение ярового рапса Велес
1. Биохимический состав семян перспективной линии 834-16
|
Образец |
Содержание, % |
||||||||
|
жир |
белок |
клетчатка |
|||||||
|
2016 |
2017 |
2018 |
2016 |
2017 |
2018 |
2016 |
2017 |
2018 |
|
|
Викрос |
46,84 |
45,07 |
46,55 |
19,53 |
26,77 |
23,94 |
9,35 |
7,82 |
8,34 |
|
834-16 |
47,43 |
48,1 |
48,48 |
19,69 |
24,4 |
22,88 |
7,13 |
6,52 |
7,62 |
Линия 834-16 отличалась по сравнению со стандартом повышенным содержанием ценной олеиновой кислоты (С18:1) на 7,15% и пониженным на 4,7% линолевой (С18:2) и на 2,6% линоленовой (С18:3) кислот (табл. 2). Эруковая кислота (С22:1) отсутствовала.
Урожайность семян перспективного образца 834-16 в конкурсном сортоиспытании варьировала от 2,52 до 3,28 т/га и превысила сорт-стандарт Викрос в среднем за три года на 0,64 т/га.
2. Жирнокислотный состав перспективной линии 834-16
|
Линия |
Основные жирные кислоты, % |
||||||
|
С16:0 |
С18:1 |
С18:2 |
С18:3 |
С20:0 |
С20:1 |
С22:0 |
|
|
Викрос |
4,1 |
64,12 |
19,86 |
9,82 |
0,62 |
1,51 |
0,34 |
|
834-16 |
3,89 |
71,27 |
15,18 |
7,24 |
0,58 |
1,17 |
0,26 |
По содержанию жира образец 834-16 на 1,6% превышал стандарт, а по содержанию протеина на 1,2% уступал стандарту.
По сбору масла перспективный образец превышал стандарт на 0,35 т/га (на 29%), а по сбору протеина — на 0,11 т/га (на 18%) (табл. 3).
3. Урожайность семян, сбор жира и белка перспективного образца ярового рапса
в конкурсном сортоиспытании, ЦЭБ ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса»
|
Образец |
Урожайность семян, т/га |
Сбор жира, т/га |
Сбор белка, т/га |
|||||||||
|
2016 г. |
2017 г. |
2018 г. |
средняя |
2016 г. |
2017 г. |
2018 г. |
средний |
2016 г. |
2017 г. |
2018 г. |
средний |
|
|
Викрос |
2,75 |
2,70 |
2,46 |
2,64 |
1,29 |
1,22 |
1,14 |
1,22 |
0,54 |
0,72 |
0,59 |
0,62 |
|
834-16 |
3,71 |
3,62 |
2,52 |
3,28 |
1,76 |
1,74 |
1,22 |
1,57 |
0,73 |
0,88 |
0,58 |
0,73 |
|
НСР05 |
0,27 |
0,21 |
0,26 |
— |
0,15 |
0,14 |
0,10 |
— |
0,10 |
0,09 |
0,08 |
— |
Вегетационный период до созревания за годы испытаний составлял 101–106 дней, что на 3–5 дней раньше стандарта (рис. 2).
В 2018 г. образец был передан в Государственную комиссию по испытанию и охране селекционных достижений под названием Велес (рис. 3).
Преимуществом сорта, наряду с отсутствием эруковой кислоты в масле, является низкое содержание глюкозинолатов в семенах — 11,6–13,9 мкмоль/г, что позволит использовать семена, жмых и шрот при кормлении животных в повышенных дозах. Сорт отличается равномерным цветением и созреванием (рис. 4); устойчивость к полеганию — 4,5–5 баллов, устойчивость к поражению альтернариозом и пероноспорозом — средняя.
Рис. 2. Начало цветения рапса Велес
Рис. 3. Рапс яровой Велес
Рис. 4. Рапс яровой сорта Велес, фаза начала созревания
Масса 1000 семян за годы испытаний колебалась от 3,8 до 4,2 г, высота растений 100–120 см, прикрепление нижнего стручка отмечалось на высоте 35–50 см. Использование сорта гарантирует получение 28–32 т/га зеленой массы с выходом до 6 т/га сухого вещества.
Заключение. С 2021 г. сорт Велес решением экспертной комиссии ФГБУ «Госсорткомиссия» допущен к использованию по Северо-Западному (2), Центральному (3), Уральскому (9) и Западно-Сибирскому (10) регионам.
1. Beckman C. (2005). Vegetable oils: competition in a changing market. Bi-weekly Bulletin. Agriculture and Agri-Food Canada. 18 (11). Available at http://www.agr.gc.ca/mad-dam/e/bulletine/ v18e/v18n11_e.htm.
2. Downy R.K. and G. Rakow. Rapeseed and mustard. In: Fehr W.R. (Ed.). Principles of Cultivar Development. 2. Crop Species. Mcmillan Pub. Company, New York. 1987. Pp. 437-486.
3. Bartkowiak-Broda I., K. Milkolajczyk, S. Spasibionek and T. Cegielska-Taras. Genetic and breeding research timing at increasing the value of rapeseed oil as a source of renewable energy. In: Jezowski, S., K.M. Wojciechowicz and E. Zenkteler (Eds.). Alternative plants for sustainable agriculture. Insti-tute of Plant Genetics, PAS, Poland. 2005. Pp. 129-139.
4. Воловик В.Т., Шпаков А.С. Производство рапса в Центральной России: состояние и перспек-тивы // Кормопроизводство. -2020. - № 10 - С. 3-8.
5. Воловик В.Т. Результаты исследований по масличным капустным культурам (ГНУ ВИК Рос-сельхозакадемии, этапы 30-летнего пути) // Адаптивное кормопроизводство. - 2012. - № 4 (12). - С. 13-24. (URL: http://www.adaptagro.ru).
6. Hossain S., Kadkol G.P., Raman R., Salisbury P.A. and H. Raman (2012). Breeding Brassica napus for Shatter Resistance. In: Plant Breeding, Dr. Ibrokhim Abdurakhmonov (Ed.). Pp. 313-332. ISBN: 978-953-307-932-5, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/plant-breeding/breeding-brassica-napus-for-shatter-resistance. DOIhttps://doi.org/10.5772/29051.
7. Engqvist G.M. and Becker H.C. Correlation studies for agronomic characters in segregating families of spring oilseed rape (Brassica napus L.). Hereditas. 1993. 118: 211-216.
8. Aytac Z. and Kinaci G. Genetic variability and association studies of some quantitative characters in winter rapeseed (Brassica napus L.). Afr. J. Biotechnol. 2009. 8: 3547-3554.
9. Maluszynski M., Nichterlein K.L., Zanten V. and Ahloowalia B.S. Officially released mutant varie-ties. The FAO/IAEA Database. Mut. Breed. Rev. No. 12. IAEA, Vienna, Austria, 2000. Pp. 1-84.
10. Shu Q.Y. A Summary of the International Symposium on Induced Mutations in Plants. In: Shu, Q.Y. (Ed.), Induced Plant Mutations in the Genomics Era. Food and Agriculture Organization of the Unit-ed Nations, Rome, 2009. Pp. 13-14.
11. Naz R.M.A. and Islam R.Z. Effect of irradiation of Brassica trilocularis (yellow sarson). Pak. J. Agric. Res. 1979. 17: 87-93.
12. Javed M.A., A. Khatri, I.A. Khan, M. Ahmad, M.A. Siddiqui, A.G. Arain. Utilization of gamma ir-radiation for the genetic improvement of oriental mustard (Brassica juncea L.). Coss. Pakistan J. Bot. 2000. 32: 77-83.
13. Shah A.S. and Rehman K. Development of improved varieties of rapeseed and mustard through in vivo mutagenesis and hybridization in Pakistan. In: Shu, Q.Y. (Ed.), Induced Plant Mutations in the Genomics Era. Food and Agricultural Organization of the United Nations, Rome, 2009. Pp. 376-378.
14. Wu G., Wu Y., Xiao L., Li X., Lu C. Zero erucic acid trait of rapeseed (Brassica napus L.) results from a deletion of four base pairs in the fatty acid elongase 1 gene. Theor. Appl. Genet. 2008. Vol. 116. Issue 4. Pp. 491-499.
15. Shu Q.Y., Forster B.P. and Nakagawa H. Plant mutation breeding and biotechnology. Wallingford, UK: CABI, 2012, 608 pp. Plant Breeding and Genetic Section. Joint FAO/IAEA Division of nuclear techniques in Food and Agricultural. doihttps://doi.org/10.1017/S001447971300001X.
16. Wells R., Trick M., Soumpourou E., Clissold L., Morgan C., Werner P., Gibbard C., Clarke M., Jen-naway R., Bancroft I. The control of seed oil polyunsaturate content in the polyploid crop species Brassica napus. Mol. Breed. 2014. 33 (2): 349-362. Published online 2013 Sept. 21. doi:https://doi.org/10.1007/s11032-013-9954-5.
17. Yadav P., Meena H.P., Meena P.D., Kumar A., Gupta R., Jambhulkar S., Rani R. and Singh D. De-termination of LD50 of ethylmethanesulfonate (EMS) for induction of mutations in rapeseed-mustard. J. Oilseed Brassica. 2016. 7. 77-82.
18. Channaoui S., Labhilili M., Mazouz H., Mohamed El.F., Nabloussi A. Assessment of novel EMS-induced genetic variability in rapeseed (Brassica napus L.) and selection of promising mutants. Pa-kistan Journal of Botany. 2019. 51. Pp. 1-8. doi:https://doi.org/10.30848/PJB2019-5(15).
19. Spasibionek S. New mutants of winter rapeseed (Brassica napus L.) with changed fatty acid compo-sition. Plant Breeding. 2006. Vol. 125. Pp. 259-267.
20. Auld D.L., Heikkinen M.K., Erickson D.A., Sernyk J.L. and Juan R.E. Rapeseed Mutants with Re-duced Levels of Polyunsaturated Fatty Acids and Increased Levels of Oleic Acid. Crop Science. Crop Breeding, Genetick and Cytology. 1992. No. 32. Vol. 3. Pp. 657-662. https://doi.org/10.2135 /cropsci1992.0011183X003200030016x.
21. Эффективность химических мутагенов в селекции : сб. статей / отв. ред. И.А. Рапопорт, Т.В. Сальникова и др. - М. : Наука, 1976. - 351 с.
22. Зоз Н.Н. Методика использования химических мутагенов в селекции сельскохозяйственных культур // Мутационная селекция : сб. статей. - М. : Наука, 1968. - С. 217-230.
23. Shirokova A.V., Volovik V.T., Zagoskina N.V., Zaitsev G.P., Khudyakova H.K., Korovina L.M., Krutius O.N., Nikolaeva T.N., Simonova O.B., Alekseev A.A., Baranova E.N. From dimness to glos-siness-characteristics of the spring rapeseed mutant form without glaucous bloom (Brassica napus L.). Agronomy. 2020. Vol. 10. Pp. 1563. https://doi.org/10.3390/agronomy10101563.
24. Ali I., Ahmed H.M. and Shah S.A. Evaluation and selection of rapeseed (Brassica napus L.) mutant lines for yield performance using augmented desing. The Journal of Animal & Plant Sciences. 23 (4): 2013. Pp. 1125-1130. ISSN: 1018-7081.
25. Широкова А., Воловик В., Коровина Л., Крутиус О., Шевцов А. Изменение содержания жира в семенах мутантных линий ярового рапса с ускоренным развитием базальных побегов, полу-ченных в результате воздействия этилметансульфонатом в низкой концентрации // Проблемы интенсификации животноводства с учетом охраны окружающей среды и производства альтернативных источников энергии, в том числе биогаза : сборник трудов XXIII Международной научной конференции (г. Варшава, 19-20 сентября 2017 г.). Т. XXIII. - Варшава : Институт технологических и естественных наук в Фалентах, 2017. - С. 182-185.
26. Куперман Ф.М. Экспериментальный морфогенез культурных растений. - М., 1972. - 245 с.
27. Li Q., Shao J., Tang S., Shen Q., Wang T., Chen W. and Hong Y. Wrinkled1 Accelerates Flowering and Regulates Lipid Homeostasis between Oil Accumulation and Membrane Lipid Anabolism in Brassica napus. Front Plant Sci. 2015. 6: 1015. doihttps://doi.org/10.3389/fpls.2015.01015.
