Селекция многолетних злаковых трав для условий Среднего Урала (стр. 1 )

На правах рукописи

Селекция многолетних злаковых трав

для условий Среднего Урала

Специальность: – «Селекция и семеноводство»

Автореферат диссертации на соискание ученой

степени доктора сельскохозяйственных наук

Немчиновка - 2008

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Уральский научно-исследовательский институт сельского хозяйства в гг.

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор, академик РАСХН

Сандухадзе Баграт Исменович

доктор биологических наук, профессор

доктор сельскохозяйственных наук

Ведущая организация – Государственный научный центр РФ

Всероссийский научно-исследовательский

институт растениеводства
им.

Защита состоится 22 апреля 2008 года в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 006.049.01 при Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны Московская область, Одинцовский район, п. Немчиновка-1, ул. Калинина, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского института сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны (НИИСХ ЦРНЗ)

Автореферат разослан «____» марта 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Полевому и луговому травосеянию Среднего Урала принадлежит решающая роль в развитии и укреплении кормовой базы.

Недостаточный сортимент возделываемых сортов многолетних злаковых трав не вполне отвечает современным требованиям сельскохозяйственного производства по урожайности кормовой массы и семян, а также адаптивным свойствам.

В связи с этим, повышается роль зональной селекции в создании сортов на основе нетрадиционных видов трав, способных более полно использовать биоклиматический потенциал региона.

Актуальным является изучение и использование образцов мировой коллекции ВНИИ растениеводства им. , а также природных экотипов и биотипов различного эколого-географического происхождения, как источников высокой продуктивности, скороспелости, качества корма и других хозяйственно-ценных признаков, устойчивости к болезням и абиотическим факторам. Диапазон изменчивости исходного материала позволяют расширить такие методы создания исходного материала как внутривидовая, отдаленная гибридизация и индуцированная полиплоидия.

Таким образом, использование новых сортов различных видов многолетних злаковых трав высокоурожайных, зимостойких, засухоустойчивых, неполегающих, неосыпающихся, с хорошим качеством кормовой массы, с относительной устойчивостью к болезням, с разработанными рекомендациями по их возделыванию на семена и корм, несомненно, является решением актуальной проблемы создания и укрепления кормовой базы животноводства
Среднего Урала.

Цели и задачи исследований. Целью проведенных исследований являлось создание новых сортов овсяницы луговой (Festuca pratensis Hads.), овсяницы тростниковой (Festuca arundinaceae Schreb.), райграса пастбищного (Lolium perenne L.), гибридов фестулолиум (Festulolium), овсяницы красной (Festuca rubra L.), мятлика лугового (Poa pratensis L.) и мятлика альпийского (Poa alpine L.), высокоурожайных, с хорошим качеством кормовой массы, высокой адаптивностью к биотическим и абиотическим факторам, с разработанными рекомендациями по их возделыванию на семена и корм. Сорта, должны быть приспособлены к интенсивному использованию на различных типах почв, отзывчивы на внесение высоких доз минеральных удобрений.

Для достижения ее нужно было решить следующие научные и производственные задачи:

- разработать направления селекции многолетних злаковых трав применительно к природным условиям и особенностям использования травостоев в условиях Среднего Урала;

- установить селекционную ценность сортообразцов многолетних злаковых трав из генофонда ВНИИ растениеводства им. , природных экотипов различного эколого-географического происхождения, внутривидовых гибридов, образцов, созданных методом экспериментальной полиплоидии и отдаленной гибридизации в лаборатории цитогенетики ВНИИ кормов им. ;

- выделить источники для создания высокопродуктивных сортов с улучшенными показателями качества кормовой массы.

- определить параметры основных хозяйственно-ценных признаков и биологических свойств индуцированных полиплоидов, отдаленных и внутривидовых гибридов многолетних злаковых трав, полученных в ходе селекции (изменчивость количественных признаков и их корреляционные связи).

- создать и внедрить в производство новые высокопродуктивные сорта многолетних злаковых трав, адаптированные к резко-континентальному климату Среднего Урала.

Научная новизна. Впервые в условиях Среднего Урала обобщены результаты многолетних исследований по созданию сортов многолетних злаковых трав.

На основании разработанных параметров продуктивности создаваемых сортов определены эффективные критерии отбора ценных генотипов овсяницы луговой, овсяницы тростниковой, овсяницы красной, мятлика лугового различного эколого-географического происхождения применительно к резко-континентальному климату региона.

Изучен исходный материал индуцированных полиплоидов и отдаленных межродовых и межвидовых гибридов овсяницы луговой (Festuca pratensis Hads.), овсяницы тростниковой (Festuca arundinaceae Schreb.), райграса многолетнего (Lolium perenne L.) и многоцветкового (Lolium multiflorum L.).

На основе нового селекционного материала за гг. созданы при участии автора и включены в Государственный реестр селекционных достижений Российской Федерации 14 сортов, хорошо адаптированных к условиям Среднего Урала: овсяница луговая Людмила, Надежда, Злата, овсяница тростниковая Серебрянка, Ассоль, Фрези, фестулолиум Изумрудный, Аэлита, Дебют, Синта, райграс пастбищный Малыш, овсяница красная Стелла, мятлик луговой Висим, мятлик альпийский Лучик. Представлены характеристики их роста и развития, продуктивности и кормовой ценности. Научная новизна работы подтверждена четырнадцатью авторскими свидетельствами и восемью патентами Российской Федерации.

Для новых сортов трав разработаны основные технологические элементы при выращивании на семена и корм.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности на основе комплексной информации об изменчивости генофонда и гетерогенности природных экотипов и биотипов семи видов многолетних злаковых трав, изучавшихся в контрастных климатических условиях Среднего Урала.

2. Использование метода индуцированной полиплоидии и отдаленной гибридизации применительно к конкретным задачам селекции многолетних злаковых трав.

3. Принципы отбора и оценки селекционного материала по комплексу хозяйственно-ценных признаков кормовой и семенной урожайности многолетних злаков.

4. Создание 14 новых сортов многолетних злаковых трав, значительно превышающих районированные сорта по урожайности кормовой массы и семян и перспективы их использования в производстве.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

Исследования проводились в соответствии с программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации «Разработать биогеоценотические принципы селекции и эффективные селекционные технологии, создать географически и эдафически дифференцированные сорта кормовых культур нового поколения на основе широкого использования биоразнообразия растительных ресурсов, культурной и природной флоры, методов индуцированного рекомбиногенеза, генетической инженерии и иммунологии» и являлись частью планов научно-исследовательских работ Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства за гг. (№№ госрегистрации 01.87.0 01., 01.9, 01.9, 01.9, 01.200. 01.2, 01.2

Проведенные исследования позволили создать и ввести в практику кормопроизводства и озеленения 14 сортов шести видов и гибридов многолетних злаковых трав, характеризующихся высокой урожайностью кормовой массы и семян, кормовой ценностью, повышенной устойчивостью к неблагоприятным факторам среды и болезням по сравнению со стандартами и предназначенных для производства грубых кормов и формирования адаптивных агрофитоценозов. На восемь сортов выданы патенты.

Семена новых сортов поступили в мировую коллекцию ВИР.

Получен ценный селекционный материал.

Предложены ускоренная схема селекционного процесса и новый способ внутривидовой гибридизации для многолетних злаковых трав.

Результаты исследований использованы при написании рекомендаций по возделыванию всех перспективных сортов на семена и корм, составлению бобово-злаковых травосмесей, а также для озеленения (Рекомендации…2005, 2006).

Производственная проверка (первичное семеноводство перспективных сортов многолетних злаковых трав) и внедрение данных разработок проводилось в хозяйствах Свердловской области на площади 158 га. В 2006 году на кормовые цели (зеленый корм, сенаж, силос, ДКП), озеленение (газоны), рекультивацию земель эти культуры и сорта возделывались на площади около 1300 га. За период гг. новые сорта востребованы в 40 областях Российской Федерации.

Апробация и публикация результатов исследования. Материалы проведенных исследований докладывались на региональных, Всероссийских, Всесоюзных и Международных научных совещаниях и научно-практических конференциях по селекции, семеноводству и кормопроизводству (Москва, 1990; Санкт - Петербург, 1999, 2007; Екатеринбург, 2002, 2003, 2004), на районных совещаниях, научных конференциях и заседаниях Ученого совета ГНУ Уральский НИИСХ в гг.

По материалам диссертации опубликовано в соавторстве и лично 55 работ, в том числе четыре рекомендации. Получено 14 авторских свидетельств и восемь патентов на новые сорта, вошедших в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в Российской Федерации.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов и рекомендаций для практической селекции и производства, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 307 страницах компьютерного текста, включает 102 таблицы в тексте и 46 в приложении, 7 рисунков. Список использованной литературы включает 337 наименований, в том числе 94 на иностранных языках.

Автор искренне благодарен коллективам лаборатории селекции озимой ржи и многолетних злаковых трав, семеноводства зерновых культур и многолетних трав, лаборатории селекции и семеноводства многолетних злаковых трав Уральского НИИСХ за совместную работу по сбору экспериментальных данных, коллегам по совместной научно-исследовательской работе из лаборатории генетики и цитологии Всероссийского научно-исследовательского института кормов им. , Ботанического сада Уральского государственного университета им. , Ботанического сада Института леса, лаборатории популяционной экологии растений Института экологии растений и животных Уральского Отделения РАН.

Содержание работы

1. Биологические особенности и многообразие природных популяций

и сообществ многолетних злаков и возможности их использования

в селекционной практике (состояние изученности вопроса)

В главе 1 дана краткая историческая справка о биологических особенностях природных популяций и сообществ многолетних злаков в ретроспективе хозяйственного использования. Рассмотрены традиционные методы селекции, а также роль отдаленной гибридизации, экспериментальной полиплоидии, апомиксиса в селекции многолетних злаковых трав. Дан анализ основных признаков, используемых при селекции на кормовую, семенную продуктивность и газонное использование. Показана роль изменчивости, корреляционных связей между признаками и отбора на повышение потенциальной продуктивности и экологической устойчивости в популяциях кормовых злаков. Описаны физиологические методы для повышения эффективности селекционного процесса многолетних злаковых трав на основе ранней диагностики отбора зимостойких биотипов и ускоренного размножения.

2. Условия, объекты и методы исследований

Экспериментальная работа проводилась на полях селекционного севооборота Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства (Екатеринбург-Исток), расположенного в лесолуговой зоне центральной части Свердловской области [, и др., 1962]. Особенностью Среднего Урала является большая изменчивость его климатических характеристик не только в широтном, но и в меридиальном направлении.

Умеренно-теплый влажный агроклиматический подрайон Екатеринбург - Исток имеет следующие агроклиматические показатели: сумма положительных температур воздуха за период с температурой выше 10 0С равна 0С; гидротермический коэффициент равен 1,4-1,6; продолжительность вегетационного периода составляет 109-119 дней; осадков за вегетационный период выпадает 225-250 мм. Продолжительность безморозного периода 90-110 дней. Лето умеренно теплое, средняя температура июля 16,5-18,5 0С. Зима - холодная, температура самого холодного месяца января – 16-17 0С. Средний из абсолютных минимумов температуры воздуха - 40-44 0С. Средняя из наибольших высот снежного покрова за зиму в поле 40-50 см. Почвы в зоне дерново-подзолистые и серые лесные, средне - и тяжело-суглинистые, легкосуглинистые.

Почва в опытах (данные аналитической лаборатории Уральского Госуниверситета) - суглинистая. На участках коллекционных питомников реакция почвенного раствора нейтральная, на остальных – слабокислая (5,3-6,1), близкая к нейтральной. Обеспеченность подвижными формами фосфора, калия высокая и средняя, содержание гумуса 5,02 и 0,95 %. В целом, плодородие почвы на участке - среднее и низкое. Участки под питомниками контрольным и конкурсного испытания характеризуются высоким содержанием подвижного фосфора, азота гидролизуемого, средним – калия. Содержание гумуса - 8,7%. Плодородие участка выше среднего.

Годы проведения экспериментальной работы характеризовались разнообразием метеорологических условий пяти - и десятиградусного периодов гг., что позволило достаточно полно изучить исходный и селекционный материал и выявить формы многолетних злаковых трав, адаптированные к условиям произрастания. Проявилась тенденция неустойчивого увлажнения жарких месяцев июня и июля, а также избыточного - в теплом сентябре. Засушливые явления наблюдались один раз в 7 лет. Зимы с обилием осадков становились теплее и короче. Основным лимитирующим фактором для выращивания многолетних злаковых трав явился недостаток влаги в первой половине вегетационного периода.

Таким образом, изучение различных видов многолетних злаковых трав проводилось, в направлении отбора образцов, пластичных к изменяющимся природно-климатическим условиям, с устойчивостью к высоким и низким температурам.

Объектом изучения служили такие виды многолетних злаковых трав, как овсяница луговая, овсяница тростниковая, индуцированные полиплоиды овсяницы луговой и райграса пастбищного, отдаленные гибриды, созданные с участием родов Festuca и Lolium, овсяница красная, мятлик луговой, мятлик альпийский, полевица гигантская.

Исходный материал по овсянице луговой, овсяницы тростниковой – лучшие отечественные и зарубежные селекционные сорта, а также дикорастущие образцы из коллекции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства имени различного эколого-географического происхождения.

В качестве исходного материала с 1986 по 1995 гг. изучались 17 индуцированных полиплоидов овсяницы луговой, райграса пастбищного и отдаленных гибридов, созданных с участием родов Festuca и Lolium в лаборатории цитогенетики Всероссийского научно-исследовательского института кормов имени В. Р. Вильямса.

Исходный материал по овсянице красной и мятлику луговому - отечественные и зарубежные селекционные сорта и дикорастущие образцы коллекции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства имени различного эколого-географического происхождения. Изучались дикорастущие популяции из Свердловской области – интродуценты Ботанического сада Уральского государственного университета имени .

Коллекция северных экотипов многолетних злаковых трав из лаборатории популяционной экологии растений Института экологии растений и животных Уральского Отделения РАН представлена такими видами, как арктофила рыжеватая, овсяница красная, овсяница овечья, мятлик луговой, мятлик альпийский, мятлик арктический, полевица гигантская, луговик северный, арктагростис широколистный, лисохвост северный, двукисточник тростниковый, вейник лапландский, бекмания восточная, фиппсия стройная, волоснец сибирский, бескильница Гаупта.

В гг. в коллекционных питомниках изучалось 523 образца.

Разнообразие исходного материала предоставило возможность широкого отбора форм, наиболее пригодных для условий Среднего Урала.

Перспективный селекционный материал из коллекционных питомников, полученный на основе отборов, внутривидовых скрещиваний, поликроссов, изучался в питомниках отбора, гибридизации, селекционных, контрольных и конкурсного испытания. В период гг. объем изучаемых образцов составил более 14 тысяч.

Методика исследований. В селекции на кормовое использование в процессе вегетационного периода и при структурном анализе учитывалось 36 количественных и качественных показателей, в том числе по основным признакам кормовой и семенной продуктивности.

Фенологические наблюдения включали определение основных фаз развития многолетних злаковых трав.

Биохимические анализы селекционного материала проводили в лаборатории массовых анализов Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства.

Оценку поражения и устойчивости образцов к болезням проводили по каждому образцу в соответствии с инструкцией, разработанной отделом иммунитета кормовых культур ВНИИ растениеводства им. [1977] и на основании методики ВНИИ кормов им.  [1985].

Схема селекционного процесса при создании новых сортов предусматривала питомники исходного материала, отбора, гибридизации; поликросса, селекционный, испытания комбинационной способности сложногибридных популяций, контрольный, конкурсного и экологического испытания, размножения перспективных образцов на изолированных участках и передачу перспективного сорта в государственное сортоиспытание.

Стандартами служили районированные сорта овсяницы луговой Свердловская 37, овсяницы тростниковой Балтика, Западная и Кировская 50, овсяницы красной Ирбитская и Приекульская 45, мятлика лугового Ургу и полевицы побегоносной Кроми.

Методы селекции: внутривидовая гибридизация, создание сложногибридных популяций на основе поликросса, массовый негативный и позитивный, индивидуальный, семейственно-групповой отборы в естественных условиях и на провокационных фонах.

Ускоренное получение селекционного поколения F1 овсяницы луговой, индуцированных полиплоидов и гибридов фестулолиум проводилось с использованием установки СУВР и вегетационного домика.

Оценку морозостойкости верховых многолетних злаковых трав проводили в соответствии с одним из вариантов прямого промораживания, разработанного в НИИСХ ЦРНЗ [, 1976].

Оценка исходного и селекционного материала проводилась по общепринятым методикам ВНИИ растениеводства им. [1979], ВНИИ кормов им. [1985] и Государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур, вып. № 1 [1971], вып. № 2 [1971], вып. № 6 [1968]. Полученный экспериментальный материал обработан методом дисперсионного анализа на основании методики [1985] с помощью ЭВМ СМ-4. и программы Microsoft Offise Word 2003. Расчет экономической эффективности и энергетической оценки технологии производства семян многолетних злаковых трав проводился в соответствии с методическими указаниями и пособиями ВНИИ кормов им. [1986, 1996].

3. Закономерности в формировании признаков и свойств

в популяциях исходных образцов многолетних злаковых трав

с учетом их адаптивности

Изучение исходного материала многолетних злаковых трав проводилось в направлении выявления некоторых закономерностей в формировании морфологических, хозяйственных признаков и биологических свойств. На начальных этапах селекции, на основании этого, выявлены наиболее ценные образцы, представляющие интерес для селекции по продолжительности межфазных периодов, устойчивости к низким температурам, основным болезням. Показаны изменчивость признаков и намеченный способ отбора в исходных популяциях. Изложены возможности сокращения селекционного процесса и совершенствование метода внутривидовой гибридизации в селекции многолетних злаковых трав.

3.1 Взаимосвязь параметров температурного режима, влагообеспеченности, продолжительности фенофаз вегетационного периода и некоторых признаков кормовой и семенной продуктивности

Фенологические наблюдения за 20 лет изучения позволили нам определить средние даты наступления межфазных периодов у многолетних злаковых трав. В среднем за годы при любом сроке посева входы у овсяницы луговой и овсяницы тростниковой появлялись на 10 день, у гибридов фестулолиум на 7 день, у овсяницы красной и полевицы на 15 день, у мятликов на 21 день. При этом определяющим внешним фактором являлись осадки. При недостаточном количестве влаги происходила задержка всходов. Как правило, наиболее благоприятными для посева изучаемых видов и гибридов являлись третья декада мая, первая декада июля, первая - вторая декада августа. Перед уходом в зиму в фазе кущения овсяница луговая и овсяница тростниковая имели 5 укороченных вегетативных побегов, фестулолиум - 10-12, овсяница красная - 3-5, мятлик луговой и мятлик альпийский - 3 побега.

В проведенных исследованиях наступление отдельных этапов роста и развития во второй и последующие годы жизни определялось наследственными свойствами растений и условиями формирования органов. Средняя продолжительность вегетационного периода в изучаемой зоне по многолетним данным АГМС (Екатеринбург-Исток) составила 168 дней. Сумма положительных температур и сумма осадков за вегетационный период составила 2246 0С и 357 мм. Продолжительность жизни изучаемых видов и гибридов многолетних злаков составила 71-94 дня.

Установлено, что условия Среднего Урала вполне пригодны для роста и развития изучаемых объектов.

Так, в период роста и развития овсяницы луговой, овсяницы тростниковой и гексаплоидных гибридов фестулолиум сумма положительных температур и осадков составила 1153,8-1261,8 0С и 185,3-202 мм, тетраплоидных райграса пастбищного и гибридов фестулолиум – 1444 0С и 229,5 мм (таблица 1). Самыми пластичными можно назвать виды мятлика лугового и мятлика альпийского (838,7-981,9 0С и 137,9-159,4 мм).

Распределение тепла и влаги по межфазным периодам у разных видов и гибридов проходило неодинаково. Для верховых многолетних злаков в периоды от начала весеннего отрастания до выхода в трубку и от начала цветения до полной спелости семян наблюдалось большее накопление положительных температур и осадков, чем для низовых.

Таким образом, для указанных растительных объектов данные периоды можно считать «критическими», а лимитирующими факторами – сумму положительных температур и осадков.

На основании фенологических наблюдений установлено, что исходный материал изучаемых видов и гибридов в основной массе можно считать адаптированным к местным условиям произрастания.

Коллекционный материал овсяницы луговой и одна треть образцов овсяницы тростниковой представлены среднеспелыми формами. Исходный материал индуцированных полиплоидов овсяницы луговой и райграса пастбищного, отдаленных гибридов Festulolium отнесен на 50 % к ранне-среднеспелому ( гг.) и на 50 % к позднеспелому ( гг.) типам. Особенность исходных образцов овсяницы красной, мятлика лугового и мятлика альпийского - раннеспелость.

На основании корреляционного анализа показано, что отбор в исходных популяциях возможен по продолжительности межфазных периодов. Урожайность зеленой массы, высота растений перед первым укосом и содержание сырого протеина - признаки, которые у мятлика лугового, овсяницы тростниковой, индуцированных полиплоидов и гибридов фестулолиум, достоверно в средней степени (r= -0,53-0,61) зависимы от продолжительности периода от начала весеннего отрастания до первого скашивания.

Продолжительность периода от начала весеннего отрастания до начала полной спелости семян в средней степени (r= -0,47-0,48) связана с урожайностью семян и высотой растений в фазе массового цветения.

Таблица 1 - Характеристика продолжительности периода вегетации у многолетних злаковых трав по температурному режиму и влагообеспеченности, гг.

3.2 Устойчивость индуцированных полиплоидов и отдаленных гибридов фестулолиум к неблагоприятным условиям зимовки

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4