Учреждение Российской академии наук Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, (г. Москва)

В настоящем исследовании представлены два направления получения и изучения признака высоких адаптивных свойств у озимой пшеницы – наследственной и ненаследственной изменчивости. Основное внимание в работе уделено наследственной изменчивости, индуцируемой с использованием метода химического мутагенеза.

Наследственная изменчивость

Представлены результаты изучения мутантов озимой пшеницы, полученных с применением метода химического мутагенеза, открытого в нашей стране крупным всемирно известным ученым генетиком И.А. Рапопортом [1]. Исследования ведутся с точки зрения возможностей получения признака высоких адаптивных свойств и изучения некоторых закономерностей в их проявлении.

Было найдено наиболее благоприятное сочетание из исследованных: мутагена этиленимина, диапазона его доз 0,01–0,04% при экспозиции 24 часа, исходного сорта пшенично-пырейного гибрида ППГ 186. Именно это сочетание дало наиболее высокий выход мутаций – более 100% по отношению к общему числу исследованных семей в сравнении с иными сочетаниями химических мутагенов, их доз и исходных сортов.

Получено широкое генотипическое и фенотипическое разнообразие мутационного спектра. На основе этого разнообразия создана крупная коллекция хемомутантов озимой пшеницы. Широкое разнообразие мутантных признаков коллекции определило разнообразные возможности использования этих признаков в разных направлениях.

Наше внимание привлекают признаки, которые редко возникают при применении только традиционных методов селекции – гибридизации и отборов. Данные признаки трудно получить при использовании только этих методов. Среди редко возникающих признаков имеет место признак высоких адаптивных свойств. Этот редкий, трудно получаемый признак при использовании только традиционных методов селекции, часто возникает при использовании названного выше удачного сочетания мутагена, диапазона его доз и исходного сорта. При этом получить признак довольно просто. В нашей коллекции более 40% хемомутантов обладают высокими адаптивными свойствами. Некоторые из этих мутантов проявляют в отдельные годы более высокие адаптивные свойства даже по сравнению с рожью. Последнее подтвердилось результатами изучения наших мутантных образцов в экстремальных условиях Тюменской области в 80-е–90-е годы прошлого века и в 2009/10 году, а также в другие экстремальные годы и в других экстремальных регионах, о чём будет сказано ниже.

Известно, что мощным источником признака высоких адаптивных свойств является использование метода отдаленной гибридизации при скрещивании культурной пшеницы с отдаленными видами и родами, часто дикими, которые являются носителями многих компонентов, составляющих признак высоких адаптивных свойств. Сюда входят рожь, виды пщениц однозернянок, двузернянок, Triticum timopheevii, виды эгилопсов, пыреев, элимусов. Эти виды и роды весьма приспособлены к перенесению суровых зим, жестких летних засух и других неблагоприятных условий.

Однако использование в гибридизации этих видов и родов в качестве доноров признака высоких адаптивных свойств затруднено по ряду причин. В частности, эти причины состоят в высокой стерильности в поколениях при несовместимости геномов родительских пар, в длительном отсутствии константности, сопровождении нужного признака (в данном случае высоких адаптивных свойств) нежелательными признаками иного вида или рода, которые в комплексе составляют непродуктивный дикий фенотип. От нежелательных признаков иного вида или рода, сопутствующих нужным признакам, бывает трудно избавиться даже при применении неоднократных беккроссов. По этим причинам при всей привлекательности метода отдаленной гибридизации использование его связано с длительным трудоемким процессом, требующим больших усилий и искусства исполнителей. К тому же, при беккроссах, направленных на избавление от сопутствующих нежелательных признаков, параллельно рассеивается часть, а иногда и большая часть генов, ответственных за нужные признаки, в том числе рассеиваются полигены. В результате в потомстве после беккроссов обнаруживаются формы или с признаками культурной пшеницы, или с признаками иного вида или рода. Комбинации признаков обоих родителей возникают редко.

Тем не менее, методом отдаленной гибридизации были созданы ценные сорта озимой пшеницы, в частности селекции Н.В. Цицина и Г.Д. Лапченко сорт ППГ 186, который является исходным в настоящей работе при использовании метода химического мутагенеза. Сорт оказался наиболее мутибильным по сравнению с другими исследованными нами сортами, а мутаген этиленимин – наиболее эффективным по сравнению с другими мутагенами именно в сочетании с данным сортом. Жизнь сорта ППГ 186 сейчас продлевается за счет использования его в качестве исходного в наших работах по мутационной селекции. Данный сорт обладает более высокими адаптивными свойствами, переданными от пырея, по сравнению с родительским сортом Лютесценс 329. Однако адаптивные свойства сорта ППГ 186 оказались недостаточными для перенесения экстремальных условий зим и летних засух.

В данном случае при использовании метода химического мутагенеза открылись большие возможности нахождения нужных признаков, в частности высоких адаптивных, в обширной коллекции хемомутантов.

Мы часто используем метод химического мутагенеза в сочетании с традиционными методами селекции. При этом в результате трансгрессивного наследования возникает усиление желаемых признаков, в частности усиление адаптивных свойств в гибридном потомстве, получаемом от скрещивания наших устойчивых к неблагоприятным условиям мутантов с иными существующими сортами культурной пшеницы, полученными вне метода химического мутагенеза. Эти константные гибриды пополнили нашу коллекцию. Таким образом, в данной работе удалось выделить из коллекции как высокоадаптивные мутанты, так и высокоадаптивные константные гибриды. При включении в коллекцию последних общая частота высокоадаптивных форм значительно превысила цифру 40%. Последняя отражает частоту встречаемости в коллекции только высокоадаптивных мутантов. Особое значение мы придаем высокоадаптивным константным гибридам, полученным от скрещивания мутантов с сортом Мироновская 808, в потомстве которых наиболее часто возникают трансгрессивные высокадаптивные формы.

Высокие адаптивные свойства у озимой пшеницы – это сложный признак, включающий ряд составляющих компонентов. В признак адаптивных свойств входят, в том числе, признаки зимостойкости и засухоустойчивости, которые в настоящем исследовании нас особенно интересуют. Признак зимостойкости сам по себе многокомпонентный и состоит из ряда составляющих. В частности он включает в себя устойчивость к низким минусовым температурам (морозостойкость), устойчивость к вымоканию, задыханию под снегом, устойчивость и толерантность к низкотемпературным фитопатогенам, в том числе к снежной плесени, устойчивость к выпреванию, выпиранию, ледяным коркам и даже к толще льда и что особенно важно – устойчивость к комплексу неблагоприятных факторов. Признак высокой зимостойкости, по-видимому, в ряде случаев оказывается решающим для возможности выжить и сформировать урожай. Жесткие засухи в течение вегетационного периода также являются фактором снижения выживаемости и снижения урожая. Но летняя засуха может быть не столь губительна для озимой пшеницы, если она пережила суровую зиму, восприняла весеннюю влагу после схода снега и успела углубить корневую систему. Для определения высокой степени адаптивных свойств – высокой зимостойкости и засухоустойчивости очень важно проводить наблюдения в те годы и в тех регионах, где суровые зимы и жесткие летние засухи, при которых истощается даже мертвый запас влаги в почве, представляют собой частое явление и где они совпадают друг с другом. Такие совпадения имели место в Центральном регионе, например, в годы – 1998/99, 2000/01, 2002/03, 2009/10 с суровыми осенне-зимне-весенними периодами и жесткими осенне-весенне-летними засухами. Эти годы оказали нам неоценимую услугу в отношении выделения из коллекции высокозимостойких и одновременно высокозасухоустойчивых сортов и образцов, созданных с использованием метода химического мутагенеза.

Однако годы с крайне неблагоприятными осенне-зимне-весенними периодами также сыграли в настоящих исследованиях большую роль для нахождения мутантов, константных гибридов и сортов со свойствами высокой зимостойкости. За отрезок времени с 1994 года и кончая 2010 годом, т. е. за 17-летний период, наблюдались следующие крайне неблагоприятные осенне-зимне-весенние периоды в годы: 1993/94, 1994/95, 1997/98, 1998/99, 2000/01, 2002/03, 2009/10. Совпадение с жесткими засухами наблюдались в последние четыре года. Эти годы с экстремальными условиями наблюдались нами в Центральном регионе разных районов Московской области – Ногинском, Егорьевском, Подольском, Луховицком, Можайском. Неблагоприятные и крайне неблагоприятные годы в среднем за последние 17 лет часто повторялись – семь раз, т. е. каждые 2,5 года. За предыдущий период, т. е. до 1994 года, эти годы повторялись реже – в среднем один раз в 4 года. Таким образом, за последние 17 лет Центральный регион всё более становится зоной рискованного земледелия. В связи с этим задачи современной селекции должны быть направлены в большей степени на создание высокоадаптивных сортов и исходного материала.

Мы считаем, что подобные наблюдения, выявляющие и подтверждающие высокие адаптивные свойства в неблагоприятные и крайне неблагоприятные годы в разных областях Центрального региона, весьма актуальны (хотя они длительны) и представляют собой бóльшую ценность, нежели чем исследования свойств устойчивости к неблагоприятным условиям и поиск высокой устойчивости в условиях искусственных камер фитотронов. К тому же, многие фитотроны в настоящее время уже не функционируют. Наблюдения за климатическими факторами разных лет ведутся нами попутно с работами в области мутационной селекции.

Мы придаем также особо важное значение испытаниям мутантных сортов и константных гибридов в экстремальных регионах, где кране неблагоприятные климатические условия повторяются за редким исключением каждый год. К областям экстремальных регионов, где испытывалась и испытывается экспрессия мутантных генов (ответственных за адаптивные свойства в Центральном регионе) при постоянных крайне неблагоприятных условиях, относятся Алтайский край, Республика Коми, области Тюменская, о которой упоминалось выше, Восточно-Казахстанская, Новосибирская, Поволжье. Мутантные образцы и сорта, которые проявили высокую устойчивость к крайне неблагоприятным климатическим условиям в Центральном регионе, вели себя по-разному в экстремальных регионах.

В Новосибирской области все представители нашей коллекции, проявившие устойчивость в Центральном регионе, в течение 10 лет испытаний всегда выживали. В 1982 году здесь сложились особо неблагоприятные климатические условия, и этот год мы считаем тестерным высокой зимостойкости в этой области. В Новосибирской области высокопродуктивный красноколосый мутант проявил особенно ярко свойство высокой зимостойкости, в частности в производственных испытаниях. Он не изредился и выделялся густотой стояния по сравнению с другими сортами озимой пшеницы немутантного происхождения, которые здесь выращивались. Нужно сказать, что некоторые мутанты нашей коллекции характеризуются такой экспрессией мутантных генов, определяющих высокие адаптивные свойства, при которой они проявляются по ряду причин более ярко в экстремальных регионах, чем в областях Центрального региона. К таким образцам относятся упомянутый красноколосый мутант.

После испытаний в Новосибирской области мутантные образцы коллекции были переведены в Восточно-Казахстанскую область, где ежегодно наблюдаются крайне неблагоприятные условия: низкие минусовые температуры осенью при отсутствии снега и зимой при низком снеговом покрове, а временами при его отсутствии. Образцы нашей коллекции, включая красноколосый мутант, в Восточном Казахстане также хорошо переносили неблагоприятные и крайне неблагоприятные осенне-зимне-весенние периоды. Из коллекции выделился образец, который затем был передан на Государственное сортоиспытание. После трехлетних испытаний на Государственных сортоучастках Восточно-Казахстанской области он был районирован в 1995 году под названием Булава. Для Восточного Казахстана характерны ежегодные жесткие весенне-летне-осенние засухи и высокие летние температуры - и всё это в совокупности с крайне неблагоприятными осенне-зимне-весенними периодами. В 80-е–90-е годы 20-го века – годы, когда сорт Булава испытывался на опытном поле Восточного Казахстана и выращивался на Государственных сортоучастках и в производстве, он хорошо переносил все неблагоприятные условия и никогда не изреживался. Урожаи сорта составляли до 62ц/га. Сорт Булава проявляет одновременно высокую зимостойкость, засухоустойчивость и жаростойкость. Благодаря высокой выживаемости, высокой регенерационной способности и хорошему кущению сорт подавляет сорняки. При этом снижается потребность в гербицидах в хозяйствах Восточного Казахстана, что было отражено в публикации газеты Рудный Алтай в 1992 году. Провокационные условия этого региона – сильные морозы при недостатке снегового покрова, жесткие засухи.

В Коми АССР бóльшая часть мутантов и мутантных сортов нашей коллекции, проявивших выносливость в условиях Подмосковья и в выносливость Коми до 1984 года, в 1984 году выпала при длительном бесснежном периоде и морозах до —50°C. Однако семь образцов из 120, хотя и изредились, но выжили, и теперь они представляют собой наиболее зимостойкий материал в нашей коллекции.

В экстремальной Тюменской области в 80-е–90-е годы выращивались мутантные образцы, которые в Московской области пережили суровые зимы. Все образцы показали высокую зимостойкость, что также наблюдал патриарх химического мутагенеза И.А. Рапопорт в последний год жизни в 1990 году. В 1992 году наш сорт Ритза перенес особо суровую зиму и не пострадал. В то же время погибла озимая рожь, которая считается более зимостойкой, чем озимая пшеница. Погиб тритикале. Под урожай 2010 года при особо суровой зиме в Тюменской области с морозами, приближающимися к —50°C, и засушливым жарким летом, когда с момента схода снега весной не выпало ни одного дождя, температура часто превосходила +40°C. В этих условиях пять образцов, созданных с использованием метода химического мутагенеза, проходили испытания в Тюменской области в производственных условиях. Из пяти образцов два – сорт Сибирская нива и один из образцов изредились более трех других. Они более не высевались. Но два сорта Имени Рапопорта и Беседа и образец 7723, удовлетворительно перенесшие экстремальные условия 2010 года, были взяты в дальнейшую работу семеноводческой организацией и пересеяны под урожай 2011 года. В то же время сорт Московская 39, созданный в НИИСХ Центральных районов Нечерноземной зоны (НИИСХ ЦРНЧЗ) традиционными методами селекции без участия метода химического мутагенеза, погиб и был запахан летом 2010 года. Погибла также рожь. В данном регионе провокационные условия – сильные морозы, жесткие весенне-летне-осенние засухи.

Часть нашей коллекции высокоадаптивных мутантов тех же самых, которые изучались в перечисленных экстремальных регионах, исследовалась еще в одном неблагоприятном регионе – Поволжье (на Камышинской Государственной селекционной станции), где зимы также суровы, а для летних периодов характерны жесткие засухи. Более 130 образцов коллекции, проявившие выносливость при испытаниях в Московской области, оказались высокоадаптивными в условиях Среднего Поволжья. Все они выжили и не изредились. В 80-е–90-е годы, когда производились испытания, урожаи в этом регионе составляли до 35ц/га, превышая местные сорта Донщина, Дон 85 и Донская безостая на 3–5ц/га. Особо неблагоприятными в этом регионе Поволжья были зимы 1994 и 1999 годов. Мутантный сорт Имени Рапопорта показал самую высокую перезимовку (более 90% перезимовавших растений) по сравнению с местными сортами немутантного происхождения. Провокационные условия для этого региона – сильные морозы, оледенения, весенне-летние засухи.

Возвратимся в Московскую область Центрального региона, который более доступен для нашего детального изучения. К тому же, вероятно, что в Центральном регионе реализуется бóльшее число из названных выше компонентов, составляющих зимостойкость, по сравнению с перечисленными экстремальными регионами. Мы считаем, что в экстремальных регионах компонентов, составляющих признак, по-видимому, меньше, чем в Центральном регионе. В экстремальных регионах основным компонентом, определяющим зимостойкость, по-видимому, является морозостойкость. Такие компоненты, определяющие зимостойкость в Центральном регионе, как устойчивость к снежной плесени, выпреваннию, задыханию под снегом, вымоканию, имеют меньшее значение в экстремальных регионах. Это связано с тем, что снег в экстремальных регионах, как правило, не ложится на теплую мокрую землю. Поэтому снежная плесень возникает здесь реже, чем в Центральном регионе. Снеговой покров чаще бывает ниже и скорее сходит, Поэтому вымокание и выпревание происходит здесь также реже. Но что касается низких температур, то в экстремальных регионах они, по-видимому, играют решающую роль, так как их значения ниже, чем в Центральном регионе, и они более опасны для перезимовки. Во всех экстремальных регионах, где нами изучались адаптивные свойства коллекции, мы делали заключение о степени адаптивности по прошествии не менее 10 лет испытаний, в течение которых обязательно встречались наиболее неблагоприятные годы. В Центральном регионе время испытаний еще более длительное. Разные мутантные образцы  испытываются в течение 20-30–40 лет и более попутно с производимыми здесь селекционно-генетическими исследованиями.

На проявление признака выносливости влияет помимо климатических факторов агрофон. Например, в Тюменской области и в Восточном Казахстане почвы плодородные черноземные. Плодородны также каштановые почвы в Среднем Поволжье. Высокое плодородие почв помогает переносить неблагоприятные и крайне неблагоприятные годы и регенерировать поврежденные побеги. Однако и на низких агрофонах Егорьевского, Ногинского и других районов Московской области в неблагоприятные годы экспрессия мутантных генов подтверждает высокую степень адаптивности. По-видимому, наиболее низкий агрофон наблюдается в Тверской области (хозяйство Ручьёвское), где не только низкоплодородны подзолистые почвы, но и наблюдается их высокая кислотность, а также высокое залегание грунтовых вод. При таких условиях в хозяйстве за ряд лет не удавалось выращивание никаких иных сортов (в том числе сортов Памяти Федина и Мироновская 808, созданных вне метода химического мутагенеза), кроме сорта Имени Рапопорта. Последний не только хорошо переносит крайне неблагоприятные климатические условия, но также хорошо переносит и низкий агрофон, что в свою очередь присовокупляется к оценке высоких адаптивных свойств сорта.

Хемомутантные сорта Имени Рапопорта и Белая, характеристика которых нами приводится, начиная с крайне неблагоприятного 1994 года по 2010 год, т. е. за 17-летний период, сформировали в одном из хозяйств Ногинского района (хозяйство Кудиново) урожаи 47,6ц/га и 41,0ц/га соответственно. В то же время сорта Мироновская 808 и Заря погибли, не перезимовав. Для этого экстремального года характерен широкий набор неблагоприятных факторов, провоцирующих задыхание под снегом при долго не сходящем снеговом покрове, ставшем теплопроводным, сильное развитие снежной плесени, вымокание, низкие минусовые температуры с осени 1993 года, доходящие в ноябре до —26°C без снега. Сорта Имени Рапопорта и Белая проявили устойчивость к комплексу перечисленных неблагоприятных факторов зимы – морозостойкость, устойчивость к задыханию, выпреванию, снежной плесени, вымоканию. Данные сорта проявили себя как имеющие многокомпонентный признак, составляющий высокую зимостойкость. Пластичные сорта Мироновская 808 и Заря, не перезимовавшие в 1993/94 году ни в одном из хозяйств Ногинского района, по-видимому, обладают устойчивостью не ко всем наблюдаемым факторам, определяющим крайне неблагоприятные условия перезимовки, но к меньшему их числу. Очевидно, гибель этих сортов после зимы 1993/94 года во всех хозяйствах Ногинского района наступила потому, что эти сорта задохнулись под снегом, ставшим теплопроводным, и не выдержали сильнейшего поражения снежной плесенью, вымокания, выпревания. Устойчивость сортов Имени Рапопорта и Белая, определяемая многими (по сути всеми перечисленными здесь) компонентами, составляющими признак зимостойкости, обеспечила высокое число перезимовавших растений – 90–95% при крайне неблагоприятном комплексе условий перезимовки. При этом был низкий агрофон песчаной почвы без гербицида. Густой стеблестой (рисунок 1) подавил сорняки. Стеблестой (до 600–700 продуктивных стеблей в среднем на один квадратный метр) был результатом как высокой сохранности растений после зимы и высокой регенерационной способности, так и высокой продуктивной кустистости (рисунок 1). Условия в Ногинском районе Московской области были провокационными для вымерзания, задыхания под снегом, выпревания, вымокание, развития снежной плесени. Низкий агрофон песчаных почв без внесения удобрений довершил широкий набор неблагоприятных факторов

В неблагоприятном 1995 году в Ногинском районе снег сошел рано по тем временам – в марте при высоких плюсовых температурах воздуха. В хозяйствах Кудиново и Чапаевец уже наблюдалось отрастание растений сортов Имени Рапопорта и Белая. Затем обильные дожди и талые воды затопили растения. В конце марта – начале апреля наступили низкие минусовые температуры и растения оказались в толще льда на 7–9 дней. На льду в эти дни ребята катались на коньках. Прогнозы предсказывали гибель растений. В апреле при плюсовых температурах после бурного таяния льда растения снова оказались в воде. Здесь мы видим такие провокационные факторы, как вымокание, вымерзание, толстый слой льда. Сорта Имени Рапопорта и Белая проявили устойчивость к крайне неблагоприятным факторам весны 1995 года, но урожай был ниже обычного и составил 26ц/га. Иные сорта традиционной селекции здесь уже не выращивались. Провокационные факторы в условиях хозяйств Ногинского района Московской области – вымокание, вымерзание, толстый слой льда.

Следующим примером является высокая перезимовка сорта Имени Рапопорта в 1997/98 году в Подольском районе Московской области. Осень 1997 года была крайне неблагоприятной и очень морозной. Морозы без снега достигали температуры ниже -26°C. Весна была исключительно неблагоприятной. В апреле 1998 года после схода снега и при вступлении растений в вегетацию дважды выпадал обильный снег и каждый раз вновь возникающий снеговой покров составлял около 10см и держался 6–7 дней. Когда, наконец, к началу мая снег окончательно сошел, то обнаружилась неприглядная картина. Она изображена на рисунках 2 и 3. Сорт Имени Рапопорта перезимовал на 90–95% (рисунок 2а), а рядом расположенный сорт Инна – и на 5% не перезимовал (рисунок 2б) - диаметрально противоположная картина. Сорт Инна немутантного происхождения создан традиционными методами селекции в НИИСХ ЦРНЧЗ. В данном случае наблюдается комплексная устойчивость сорта Имени Рапопорта к вымерзанию осенью и весной, задыханию под снегом весной, когда снег дважды выпадал на вегетирующие растения, вымоканию, снежной плесени, выпреванию, ледяным коркам. Экстремальные условия 1998 года были сходными с условиями 1994 года, когда природой было предоставлено наибольшее число неблагоприятных факторов для перезимовки. Урожай сорта Имени Рапопорта составил 46,7ц/га в учхозе Михайловское Подольского района при хорошем отрастании (рисунок 2в; таблица). Сорт Инна при больших выпадах и плохом отрастании растений (рисунки 2б, 3а, б) и сорт Московская 39 урожая фактически не сформировали (таблица). Такая же картина наблюдалась в отношении сортов Имени Рапопорта и Инна в хозяйстве Григорьевское Луховицкого района Московской области. Провокационные условия для Подольского и Луховицкого районов – низкие температуры, вымокание, снежная плесень, выпревание, задыхание под снегом весной, ледяные корки – широкий набор неблагоприятных факторов.

Год 1999-й характеризуется крайне неблагоприятным весенним периодом. В Подольском районе Московской области снег сошел рано и быстро при высокой температуре воздуха до +23°C в апреле. Был сильный паводок. Растения в течение шести-семи дней стояли в воде, которая не впитывалась в почву, так как последняя была промерзшей. Длительное стояние в воде при высокой температуре воздуха само по себе представляет губительную ситуацию (рисунки 4а, 5а). Ситуация усугублялась в начале мая. В течение 7–10 дней вегетирующие растения подвергались морозам до -12°C. Мутантный сорт Белая на опытном поле Московской сельскохозяйственной академии в Подольском районе (деревня Голохвастово) на очень низком агрофоне быстро отрос и на двух полях сформировал урожаи 37 и 40ц/га (рисунки 4б, 5б) против 23,6ц/га у сорта Московская 39. Сорт Имени Рапопорта в учхозе Михайловское Подольского района также на очень низком агрофоне сформировал урожай 30ц/га (рисунок 6а; таблица), в то время как сорт Инна погиб и фактически урожая не сформировал (рисунок 6б; таблица).

Таблица. Урожаи зерна (ц/га) сортов мутантного происхождения, выращенных в Подольском районе в 1998–2002 гг. Невысокий агрофон суглинистых почв

В этом же 1999 году в довершение всего была жёсткая летняя засуха, когда истощился мертвый запас влаги в почве. Температура воздуха часто превышала +30°C. Мутантные сорта и образцы ранее, проявившие выносливость к неблагоприятным факторам среды показали и в этих провокационных условиях высокую устойчивость к весеннему вымоканию, осложненному высокой температурой воздуха, к низким минусовым температурам весной при вегетирующих растениях, устойчивость к ледяным коркам, жесткой летней засухе, жаростойкость.

Год 2000/01 характеризуется сильным развитием снежной плесени, так как осенью 2000-го года снег лег на мокрую теплую почву, и почва оставалась такой в течение всей зимы. При этом поражение снежной плесенью у сортов Имени Рапорта и Московская 39 составило 80% и выше. Лето 2001 года было крайне засушливым и жарким. Температура воздуха неоднократно достигала +33°C. Сорт Имени Рапопорта в условиях учхоза Михайловское Подольского района сформировал высокий урожай – 40ц/га, проявив толерантность к снежной плесени, высокую регенерационную способность, засухоустойчивость и жаростойкость. Сорт быстро отрос после снежной плесени и сформировал густой стеблестой, определивший высокий урожай почти без урона. Сорт Московская 39 сильно пострадал от снежной плесени, плохо отрос и сформировал урожай 8 ц/га, т. е. на 32 ц/га ниже по сравнению с сортом Имени Рапопорта. Провокационные условия в учхозе Михайловское Подольского района – сильное развитие снежной плесени, жесткая весенне-летняя засуха при высоких температурах воздуха, низкий агрофон.

Анализ таблицы дает представление о значительно более высоких стабильных урожаях без «провалов» у мутантных сортов Имени Рапопорта и Белая на основе их высоких адаптивных свойств по сравнению с сортами Инна и Московская 39 немутантного происхождения. Превышение урожаев у сортов Имени Рапопорта и Белая над стандартными сортами Инна и Московская 39 в среднем за пять лет составило 23,3ц/га и 9,2ц/га соответственно.

Следующий крайне неблагоприятный год 2002/03 характеризовался ранним быстрым сходом снега в феврале 2002 года и сильнейшей весенне-летне-осенней засухой. Засуха в 2002 году сопровождалась температурами +30°C и выше. В связи с сильнейшей засухой и отсутствием даже мертвого запаса влаги в почве всходы осенью 2002 года долго не появлялись, но когда появились в конце октября, то в ноябре подверглись влиянию низких температур, доходящих до —25°C без снега. Эта ситуация продолжалась вплоть до установления снегового покрова. Весной 2003 года после схода снега повторились низкие минусовые температуры и засуха. Неблагоприятные весенние условия 2003 года оказались сходными с условиями осени 2002 года. В таких условиях в хозяйстве Дмитровского района Московской области сорт Имени Рапопорта вышел из-под снега в пожухлом виде. Листья были черными. Сорт имел мертвый вид. Директор хозяйства даже думал запахать поле с сортом Имени Рапорта. Но у сорта остались живыми точки роста, и он при высокой регенерационной способности быстро отрос и хорошо раскустился. Урожай сорта составил 45ц/га. Провокационные условия Дмитровского района Московской области – осенне-весенние низкие минусовые температуры, осенне-весенняя засуха, низкий агрофон.

Год 2009/10 характеризовался суровой зимой с низкими температурами, которые опускались до -30°C и ниже. В то же время было сильное развитие снежной плесени весной 2010 года после схода снега. В этих условиях в Истринском районе Московской области на опытном поле Отдела отдаленной гибридизации Главного ботанического сада РАН разные мутантные образцы в конкурсном сортоиспытании дали урожаи зерна от 30 до 60ц/га, против 30-40ц/га у сорта Московская 39. Сорт Имени Рапопорта в производственных испытаниях сформировал урожай зерна около 50ц/га. В хозяйстве Дмитровского района урожай зерна сорта Имени Рапопорта составил 26ц/га на низком агрофоне без внесения удобрений. Такой же урожай был получен в хозяйстве Тверской области на еще более низком агрофоне. Провокационные условия в Истринском и Дмитровском районах Московской области и в Тверской области – низкие минусовые температуры, летняя засуха, низкий агрофон. Стандартные сорта Инна и Московская 39 в хозяйстве Ручьёвское Тверской области уже не выращивается, так как не выносят крайне неблагоприятные условия низкого агрофона.

Таким образом, можно сказать, что определенная часть мутантов, мутантных сортов и константных гибридов с мутантами представляет собой чрезвычайно устойчивый к разнообразным неблагоприятным климатическим и почвенным условиям материал. С чем это может быть связано? Во-первых, бросается в глаза устойчивость ко многим неблагоприятным факторам, что является причиной наличия признака высоких адаптивных свойств, в частности признака высокой зимостойкости. Мы специально представили в настоящей работе довольно широкую многообразную панораму отрицательных факторов (в разные годы в разных регионах страны), которые входят в комплекс неблагоприятных условий. Из изложенного видно, насколько эти факторы разнообразны в разные неблагоприятные годы и, что особенно впечатляет, в крайне неблагоприятные годы в Центральном регионе. В экстремальных регионах неблагоприятные и крайне неблагоприятные климатические условия, как правило, создаются ежегодно. В этих регионах основной неблагоприятный фактор – это низкие минусовые температуры осенью, когда еще не лег снеговой покров, и весной, когда снег уже сошел. Сюда же относятся осеннее-весенне-летние засухи с высокими температурами. В Центральном регионе, как упоминалось выше, разнообразие набора неблагоприятных климатических и почвенных факторов наблюдается в годы, когда многие и даже все нам известные факторы бывают в комплексе.

Устойчивость наших хемомутантных образцов также проявляется высоко при одновременном наложении одних неблагоприятных факторов на другие. Например, в 1999 году весной после схода снега вымокание совпало с высокими температурами воздуха весной, достигнувшими +23°C. Эта ситуация считается смертельной для озимой пшеницы. Жесткая осенняя засуха 2002 года совпала с очень низкими минусовыми температурами. Эта же ситуация повторилась весной 2003 года. Одновременное наложение одних неблагоприятных климатических и почвенных факторов на другие, очевидно, усиливает их отрицательное влияние на выживаемость. Однако и эти ситуации переносятся нашими высокоадаптивными образцами. Встает вопрос, каким образом мутантный материал оказывается устойчивым ко всем представленным выше неблагоприятным факторам, учитывая, что эти факторы бывают разными в разные годы.

Мы полагаем, что такая высокая выносливость ко всем наблюдаемым нами неблагоприятным и экстремальным факторам внешней среды связана с разными причинами:

– Возникновением под влиянием этиленимина множественных генных мутаций [2] без повреждения генетического аппарата клетки, в том числе малых мутаций, входящих в число полигенных. Малые мутации модифицируют проявление признака, в частности усиливая его. Присутствие малых мутаций мы неоднократно наблюдали при отборах на усиление того или иного признака. В этих работах мы получили, например, усиление экспрессии мутантных генов таких признаков по отношению к таким признакам, как устойчивость к пыльной головне [3], длине соломины и колоса, числу зерне в колосе, массе 1000 зерен, числу колосков, продуктивности колоса [4]. Множественные мутации, вызвавшие повышение адаптивных свойств, определили значительное повышение урожайности наших мутантных сортов и образцов и, что самое главное, стабильность урожаев по годам, включая неблагоприятные годы.

При использовании только традиционных методов селекции без применения метода химического мутагенеза у сортов, обладающих адаптивными свойствами в той или иной степени, по-видимому, нет столь широкого охвата компонентов, составляющих признак. Например, пластичный сорт Мироновская 808, считающийся устойчивым к неблагоприятным условиям, по-видимому, не обладает необходимым комплексом компонентов, составляющих признак высоких адаптивных свойств. Поэтому крайне неблагоприятные условия сорт не всегда выдерживает, как например, было в 1994 году в хозяйствах Ногинского района, когда сорт погиб. Сорт не пережил неблагоприятные условия осени, зимы и весны 1993/94 года в Ногинском районе, а в 1990 году – в Тюменской области в хозяйстве Коммунарка. Сорт также не выдерживает неблагоприятные почвенно-климатические условия в Тверской области (хозяйство Ручьёвское). То же можно сказать и о пластичном сорте Комсомольская 56, который был районирован и выращивался в Тюменской области и в Восточном Казахстане. В Тюменской области в том же хозяйстве Коммунарка он не перенес зиму 1989/90 года, а в Восточном Казахстане сорт Комсомольская 56 был заменен в 1995 году на наш хемомутантный сорт Булава.

Наш генетический анализ подтвердил наличие множественных мутаций в отношении ряда признаков при названном выше благоприятном сочетании мутагена, его доз и исходного сорта при отсутствии плейотропии [5]. Создается впечатление, что множественные мутации, определяющие высокие адаптивные свойства, реализуются по-разному в разных условиях. Они реализуются тем полнее, чем бóльшее число неблагоприятных факторов среды присутствует.

– Помимо мощного влияния множественных мутаций на повышение адаптивных свойств, по-видимому, в том же направлении действует гетерозис, возникающий под влиянием мутагена на основе гетерозиготности по мутациям [6]. В гетерозиготности могут принимать участие и множественные мутации, в основном рецессивные. Последние, по-видимому, возникают в разных геномах сложного аллополиплоидного организма гексаплоидной озимой пшеницы. Благодаря межгеномной гетерозиготности и рецессивному характеру мутаций константность мутантов не нарушается в течение неопределенно длительного времени, а гетерозис, по нашим наблюдениям, продолжается также много лет и является незатухающим в поколениях. С момента возникновения мутаций он ни разу не нарушался. Здесь, конечно, играет роль то, что гетерозиготность по рецессивным мутациям, является многократной в связи с множественным характером мутаций. Поэтому, если какие-либо мутации перейдут или уже перешли в гомозиготное состояние, то гетерозис не должен ослабнуть, так как имеются иные мутантные гены в гетерозиготном состоянии, по которым будет гетерозиготность и эффект гетерозиса будет сохраняться. Фенотипическому проявлению мутантных генов препятствует компенсирующий эффект гомологичных генов, расположенных в гомеологичных хромосомах. При этом сохраняется константность, а гетерозис не исчезает. Все рецессивные мутантные гены, по которым имеется гетерозиготность, перейти в гомозиготное состояние в обозримом будущем, очевидно, не могут. Поэтому гетерозис на мутантной основе мы определяем как незатухающий.

В настоящее время имеется представление и о другой природе гетерозиса. По мнению В.А. Струнникова [7], гетерозис может возникать и на гомозиготной основе по генам, оказывающим особо благоприятное влияние на организм. Группа наших гетерозисных мутантов с рано наступающей гомозиготностью и константностью (со второго поколения – М₂) [8] могут быть подтверждением правомочности этого взгляда. По-видимому, в проявлении признака высоких адаптивных свойств оба механизма гетерозиса имеют место и могут иметь место одновременно в одном и том же мутанте. Надо иметь в виду, что рано наступающая гомозиготность относится, прежде всего, к доминантным мутациям, как показали наши исследования.

- Причина высокой выносливости мутантов заключена также в том, что подавляющее большинство обнаруженных нами мутаций являются доминантными. Известно, что дикие растения, в том числе злаки, несут главным образом доминантные гены, которые определяют высокую адаптивность. Доминантные мутации в нашем исследовании выявляются фенотипически в первых же поколениях после своего возникновения вне независимости от гетерозиготности или плоидности.

Рецессивные мутации по полиплоидным генам не проявляются фенотипически и тем дольше, чем выше плоидность. Гетерозиготность при константности продолжается неопределенно длительное время, а в случае межгеномной гетерозиготности – постоянно в обозримом будущем. В любом случае и доминантные мутации в гомозиготном состоянии, не нарушающие рано наступающую константность, и рецессивные мутации в гетерозиготном состоянии вносят существенную лепту в возникновение признака высоких адаптивных свойств.

- Существует также предположение, которое имеет под собой весьма реальную основу. Оно означает увеличение содержания гетерохроматина в генетическом аппарате клетки и изменение соотношения эухроматина и гетерохроматина в сторону увеличения содержания гетерохроматина в результате реакции алкилирования оснований ДНК мутагеном (эписомные процессы). Увеличение содержания гетерохроматина, по-видимому, в значительной степени влияет на повышение адаптивных свойств [9] в данном случае, у озимой пшеницы. Однако это вполне реальное предположение о возникновении признака высокой адаптивности требует экспериментальной проверки. Есть вероятность того, что именно увеличение количества гетерохроматина оказывает наиболее сильное влияние на повышение устойчивости к абиотическим стрессам, в данном случае у озимой пшеницы. Возможно, что под влиянием увеличения содержания гетерохроматина возникает столь широкое влияние на многие компоненты, составляющие признак высоких адаптивных свойств. Возможно, и множественные мутации, и гетерозис, и доминантные мутации подвластны этому явлению – увеличению гетерохроматина посредством воздействия химического мутагена. Здесь открываются широкие возможности исследований с целью экспериментального подтверждения как на цитогенетическом, так и на молекулярном уровнях.

Ненаследственная изменчивость

Коллектив, занимающийся мутационной селекцией, разработал и другой способ повышения адаптивных свойств, в частности на зерновых культурах. Этот способ заключается в использовании ненаследственной изменчивости, возникающей под влиянием физиологически активного соединения пара-аминобензойной кислоты (ПАБК), сильный модификационный эффект которого был открыт И.А. Рапопортом [10]. Им же открыт феномен активации и реактивации ферментов, подвергшихся воздействию ионизирующей радиации, под влиянием ПАБК [11] при ее вступлении в комплексы с ферментами. По-видимому, под влиянием активации ферментов, которые при действии ПАБК начинают работать более активно, повышается зимостойкость у озимой пшеницы [12], а также засухоустойчивость у ячменя [13] и у пшеницы [12]. Очевидно, здесь большую роль играет активация тех ферментов, у которых понижена активность в связи с неблагоприятными почвенно-климатическими условиями. Повышение устойчивости к неблагоприятным осенне-зимне-весенним периодам у озимой пшеницы выражается в том, что из-под снега она выходит, как правило, в хорошем состоянии. Она быстро отрастает, быстрее, чем в контрольных вариантах. Сохранность растений также выше, чем в контроле. Густота стеблестоя превышает контроль на 10–15%. Наблюдаются более высокая регенерационная способность и более высокая продуктивная кустистость. Повышение под влиянием ПАБК засухоустойчивости, по нашим наблюдениям, выражается в увеличении тургора растений [13]. Как и в случае наследственной изменчивости под влиянием химического мутагена, повышение адаптивных свойств под влиянием ПАБК приводит к стабилизации урожаев зерна в разные годы [12, 13]. Оба способа для повышения адаптивных свойств – наследственная изменчивость при применении метода химического мутагенеза и ненаследственная изменчивость при применении фенотипического активатора ферментативной активности ПАБК успешно нами используются. Однако механизмы действия этих двух систем разные. В то же время химические мутагены в определенных дозах также вызывают активацию ферментов и их реактивацию [14]. Механизмы влияния на адаптивные свойства химического мутагенеза, очевидно, более многообразны по сравнению с ПАБК.

Рис. 1. - 1994 год. Крайне неблагоприятный. Хозяйство Кудиново Ногинского района Московской области. Деревня Вишняково. Мутантный сорт Имени Рапопорта. Срез растений при уборке комбайном. Перезимовавших растений 95%. Густой стеблестой без гербицида и подкормок. Низкий агрофон песчаной почвы. Урожай зерна 47,6ц/га

Рис. 2. - 1998 год. Крайне неблагоприятный. Учхоз Михайловское Подольского района Московской области. Отделение Красная Пахра.

Рис. 3. 1998 год. Крайне неблагоприятный. Учхоз Михайловское Подольского района Московской области. Стандартный сорт Инна немутантного происхождения.

Рисунок 4. - 1999 год. Крайне неблагоприятный. Опытное поле Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева. Подольский район Московской области. Село Голохвастово. Крайне низкий агрофон глинистой почвы. Мутантный сорт Белая.

Рисунок 5. - 1999 год. Крайне неблагоприятный. Опытное поле Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева. Подольский район Московской области. Село Голохвастово. Накануне уборки.

Рисунок 6. 1999 год. Крайне неблагоприятный. Учхоз Михайловское Подольского района Московской области. Отделение Красная Пахра. Село Шарапово. Низкий агрофон глинистых почв.

Литература

1.         Рапопорт И.А. Карбонильные соединения и химический механизм мутаций // Доклады АН СССР. – 1946. – Т. 54, № 1. – С. 65–68.

2.            Эйгес Н. С., Вайсфельд Л. И., Волченко Г. А. Специфичность химического мутагенеза на озимой пшенице и создание мутантов с множественными мутациями, определяющими наиболее важные признаки // Тезисы докладов I съезда Вавиловского общества генетиков и селекционеров (ВОГиС), Саратов, декабрь 1994 г. Генетика, 1994, т.30. Приложение. – С. 187.

3.             Эйгес Н.С., Шведова А.А. Результаты отборов на искусственном провокационном фоне среди мутантов на устойчивость к пыльной головне // Эффективность химических мутагенов в селекции. Под ред. И.А. Рапопорта. Москва. - Наука. – 1976. – С. 170—175.

4.              Эйгес Н. С., Бекузарова С. А., Манукян И. Р., Вайсфельд Л. И., Волченко Г. А., Абиев В. Б. Улучшение ценных мутантов и сортов озимой пшеницы, созданных методом химического мутагенеза по селекционно-важным признакам. Вiснiк Українского товариства генетикi I селекцiонерiв (The Bulletin of the Ukrainian Society for Genetics and Selections). 2007. Т. 5. № 1-2. С. 126-132.

5.              Эйгес Н.С., Кузнецова Н.Л., Волченко Г.А., Артамонов В.Д., Вайсфельд Л.И., Долгова С.П., Кахриманова Н.Н., Волченко С.Г. Множественные мутации на озимой пшенице, определяющие хозяйственно-ценные признаки // Вестник Украинского общества генетиков и селекционеров (Вiсник УТГС). 2009. – Т. 7, № 2. – С. 269–275.

6.                 Эйгес Н.С. Генетическое разнообразие мутантов озимой пшеницы и создание высокоадаптивных форм с комплексами ценных признаков // Химический мутагенез и проблемы селекции. Под ред. И.А. Рапопорта. Москва: Наука – 1991. – С. 77—92.

7.                Струнников В.А. Методы управления полом, развитием, размножением. Разработка и применение в генетических и селекционных работах на тутовом шелкопряде // Вестник АН СССР. – 1982. – № 3. – С. 11–21.

8.              Эйгес Н. С. Изучение нерасщепляющихся мутантных семей у озимой пшеницы, полученных при действии этиленимина // Генетика. - 1973. - Т. 9, № 2. - С. 5-8.

9.                 Прокофьева-Бельговская А.А. Гетерохроматические районы хромосом // Москва: Наука. – 1986. – 434 c. .

10.           Рапопорт И.А. Феногенетический анализ независимой и зависимой дифференцировки // Труды Института цитологии, гистологии и эмбриологии. – 1948. – Т. 2, вып. 1. – С. 3–135.

11.           Кожевникова Н.А., Рапопорт И.А., Иваницкая Е.А., Пудрина И.Д. Влияние пара-аминобензойной кислоты на активность дезосирибонуклеазы интактного и облученного препарата // Доклады АН СССР. – 1983. – Т. 273, № 2. – С. 476–479.

12.           Эйгес Н.С. Влияние ПАБК на сорта озимой пшеницы в условиях производственного опыта // Химические мутагены и пара-аминобензойная кислота в повышении урожайности сельскохозяйственных растений. Под ред. И.А. Рапопорта. Москва. - Наука. – 1989. – С. 38–64.

13.             Эйгес Н.С. Изучение разных способов обработки ПАБК ярового ячменя в хозяйствах Ногинского района Московской области // Химические мутагены и пара-аминобензойная кислота в повышении урожайности сельскохозяйственных растений. Под ред. И.А. Рапопорта. Москва. - Наука. – 1989. – С. 99–123.

14.            Иваницкая Е.А., Кожевникова Н.А., Путрина И.Д. Активация щелочной рибонуклеазы (облученного препарата) под влиянием НДММ // Химический мутагенез и качество сельскохозяйственной продукции. Под ред. И.А. Рапопорта. Москва. - Наука. – 1983. – С. 218–221.