Результат интеллектуальной деятельности: Способ оценки и отбора высокоурожайных генотипов сои по устьичной проводимости паров воды

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к области растениеводства и селекции.

Одной из основных задач современной селекции является создание сортов сельскохозяйственных растений, формирующих высокий и стабильный урожай.

Формирование урожайности зависит от множества внешних и внутренних факторов и неразрывно связано с активностью и эффективностью фотосинтеза - важнейшего звена метаболизма зеленых растений, за счет которого создается до 95% органического вещества (Ничипорович, А.А. Энергетическая эффективность фотосинтеза и продуктивность растений / А.А. Ничипорович // Пущино: НЦ БИ АН СССР. - 1979. - 37 с.) [1].

Эффективность процесса фотосинтеза существенно обусловлена деятельностью устьичного аппарата листьев, через который осуществляется не только ассимиляция СО₂, но и испарение водяного пара, то есть транспирация (Atkinson C.J. Drought tolerance of clonal Malus determined from measurements of stomatal conductance and leaf water potential / C.J. Atkinson, M. Policarpo, A.D. Webster, G. Kingswell // Tree Physiology. - 2000. - 20. - P. 557-563.) [2]. В силу этого оба эти процессы тесно взаимосвязаны между собой устьичной проводимостью, которая определяет активность и эффективность их протекания, и в следствие этого существенно может влиять на интенсивность роста растений и формирование ими конечного урожая (Li F. Studies of canopy structure and water use of apple trees on three rootstocks / F. Li, S. Cohen, A. Naor, K. Shaozong, A. Erez // Agricultural Water Management. - 2002. - 55. - P. 1-14.) [3]. Поэтому, представляется весьма актуальным для селекции проводить оценку и отбор селекционного материала по устьичной проводимости, что позволит создавать перспективных исходный материал и новые сорта на принципиально иных факторах - на основе активного и эффективного использования растениями фотосинтеза и транспирации (Farquhar et al., 1989). (Farquhar G.D. Carbon isotope discrimination and photosynthesis / G.D. Farquhar, J.R. Ehleringer, K.T. Hubick // Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. - 1989. - 40. - P. 503-537.) [4].

Известен способ определения устьичного сопротивления листьев растений, включающий помещение листа в камеру, прокачивание через нее воздуха и измерение температуры листа и эвапориметра при постоянной влажности воздуха, с последующим расчетом устьичного сопротивления по формуле (авторское свидетельство SU №1639497 А1, опубл. 20.03.1995) [5].

Недостатком данного способа является то, что он предназначен для использования в стационарных условиях и не позволяет оценить состояние растительного организма в момент отбора проб у большого количества коллекционных и селекционных образцов, произрастающих в поле.

Известна методика по которой устьичная проводимость пара Н₂О (gsw) или обратная ей величина - устьичное сопротивление (rsw) рассчитывается с использованием транспирации (Е) и дефицита водяных паров в воздухе (D) на основании закона Фика: Е=gsw-(Wo-Wa)=(Wo-Wa)/rsw, где Wo - концентрация насыщенного пара в межклетниках (г/см3), Wa - концентрация водяного пара в воздухе. Поскольку температура хвои близка к температуре воздуха, D=Wo-Wa (Цельникер Ю.Л., Корзухин М.Д., Суворова Г.Г., Янькова Л.С, Копытова Л.Д., Филиппова А.К. Анализ влияния факторов среды на фотосинтез хвойных Предбайкалья // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. С-Петербург, Гидрометеоиздат, 2007. Т XXI. С. 265-292.) [6].

Недостатком методики является то, что она предназначена для изучения хвойных и не учитывает особенности роста и развития полевых культур (в нашем случае сои).

Известен способ отбора высокопродуктивных растений зерновых колосовых культур, основанный на связи между массой колоса и массой зерна с колоса, и отбора растений по максимальному значению массы колоса (авт.св. СССР N 1060151, кл. А01Н 1/04) [7].

Известен способ отбора высокопродуктивных форм сои, включающий выращивание в поле в составе популяции индивидуальных растений и их браковку - отбор по отношению СП/ФП (селекционный признак/фоновый признак) с учетом характера экологической регрессии, при этом в качестве СП используют массу семян растения, отличающийся тем, что в качестве фонового признака берут массу отрезка нижней части главного побега растения в фазе полного созревания.

Длину отрезка нижней части главного побега растения берут равной 7-10 см, начиная от корневой шейки. Получение отрезка нижней части побега растения осуществляют в полевых условиях. Массу семян растения определяют путем обрывания плодов с растения в поле, последующего обмолота плодов и взвешивания полученных семян в лабораторных условиях.

Это позволяет сократить продолжительность процесса учета фонового признака, обеспечить достоверность его изменения и возможность проведения учета в полевых условиях (патент РФ №2482665 С1) [8].

Недостатками отмеченных способов является то, что они основаны на оценке элементов продуктивности и морфологии растений, и не учитывают при этом их физиологические параметры - в нашем случае устьичную проводимость паров воды листьями, которая играет важную роль в продукционном процессе растений.

Задачей изобретения является оценка и выделение перспективного генетического материала для селекции сои в полевых условиях по показателю устьичной проводимости паров воды листьев при повышении точности отбора.

Техническим результатом изобретения является сокращение затраченного времени, сохранение растений для последующего изучения при снижении трудоемкости измерений.

Поставленная задача и указанный технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе оценки и отбора селекционного материала сои по устьичной проводимости паров воды листьев, включающий определение устьичной проводимости путем измерения проводимости паров воды на центральной листовой пластине тройчатого листа, расположенного на 4 сверху узле главном побеге растений сои в фазу плодообразования, при этом измерения проводят с 8:00 до 11:00 часов дня с помощью переносного газоанализатора марки LI-6400 XT, отбирая растения со значениями устьичной проводимости паров воды на 25% больше от среднего значения по оцениваемой выборке.

Изобретение основано на функциональной связи устьичной проводимости листьев с фотосинтезом и транспирацией листьев и, как следствие, с урожайностью. Предлагаемый способ позволяет все необходимые измерения свести к двум: определение устьичной проводимости листьев по измерению проводимости паров воды / и дать объективную оценку возможной потенциальной урожайности изучаемых образцов путем определения ее фактической величины у посева.

Величина корреляции устьичной проводимости листьев с фактической урожайностью при оценке 65 коллекционных образцов составляла +0,54 (при Р=0,05).

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен график, отражающий взаимосвязь устьичной проводимости паров воды с интенсивностью фотосинтеза листьев у различных по продуктивности сортов сои в фазу плодообразования, а на фиг. 2 представлен генотипический интервал варьирования устьичной проводимости паров воды и связь ее с урожайность генотипов сои в фазу плодообразования.

На большом наборе коллекционных образцов (65 шт.) и современных районированных сортов (более 15 шт.) экспериментально установлено, что современные высокопродуктивные генотипы сои обладают высокими значениями устьичной проводимости водяных паров листьев и интенсивностью фотосинтеза - коэффициент корреляции составлял +0,72 и был достоверным при уровне 05 (фиг. 1), что позволяет использовать этот показатель для оценки генофонда культуры и выделять перспективные из них для вовлечения в селекцию культуры на высокую семенную продуктивность - коэффициент корреляции между устьичной проводимостью и урожайностью семян у сорта составлял +0,54 и был достоверным при уровне 05 (фиг. 2).

В измерения включали центральную листовую пластину тройчатого листа, расположенные на четвертом сверху узле главного побега. Это связано с тем, что они являются физиологически наиболее зрелыми и вносят наибольший вклад в формирование урожайности растений (Бартков, Б.И. Распределение ассимилянтов в период плодоношения бобовых растений (о принципе дублирования в фотосистемах) / Б.И. Бартков, Е.Г. Зверева // Физиология и биохимия культурных растений. - 1974. - Т. 6. - Вып. 5. - С. 502-505) [9].

Оптимальное время проведения измерения с 8:00 до 11:00 часов дня, так как в это время суток на растения не оказывает влияние повышение температуры воздуха в полуденное время, а также обезвоживание и перегрев листа и растения в целом.

Способ осуществляется следующим образом.

В полевых условиях на интактных растениях генотипов сои определяют устьичную проводимость водяных паров листьев путем измерения проводимости паров на центральной листовой пластине тройчатого листа, расположенного на 4 сверху узле главном побеге растений сои в фазу плодообразования, с 8:00 до 11:00 часов дня с помощью переносного газоанализатора марки LI-6400 XT. (марки LI-6400 XT или аналога) (LI-6400 XT Portable Photosynthesis System, LI-COR: Biosciences, www.licor.com) [10]. В течении 1,5-2 минут ожидают стабилизации газообмена в измерительной камере. После чего фиксируют значение устьичной проводимости паров воды, которое отображается на цифровом экране компьютера прибора, нажатием кнопки. Для селекции отбирают растения со значениями устьичной проводимости паров вода на 25% больше от среднего значения по оцениваемой выборке.

Пример.

Оценку селекционного материала проводили на сортах сои на опытных полях ФГБНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур и ФГБНУ Тульский НИСХ, когда растения достигли фазы развития плодообразования. В поле на интактных растениях в селекционном посеве измерения начинали в 8:00 по местному времени и продолжают до 11:00. На опытной делянке отмечали здоровые, типичные растения для оцениваемого сорта или линии сои, без видимых повреждений центральный листовый пластины тройчатого листа, расположенного на 4 сверху узле главном побеге. Прикрепляли к листу растения измерительную камеру переносного газоанализатора марки LI-6400 XT. В течении 1,5-2 минут ожидали стабилизации газообмена в измерительной камере. После чего фиксировали значение проводимости паров воды, которое отображалось на цифровом экране компьютера прибора, нажатием кнопки. Открепляли измерительную камеру и переходили к измерению следующего растения. Последовательность действий повторяли. По результатам статистической обработки полученных экспериментальные данных оценки селекционного материала (сортов и линий) (фиг. 2) выделяли сорта и линии со значениями устьичной проводимости паров воды листьев на 25% превышающие среднее значение по выборке. Линейная корреляция устьичной проводимости паров воды листьями сои с урожайностью в коллекции из 65 генотипов была положительной и составила +0,54, а с интенсивностью фотосинтеза - r=0,59, что достоверно при Р.

Это свидетельствует о том, целенаправленный отбор по устьичной проводимости может быть эффективным. За годы исследований интервал генотипического варьирования устьичной проводимости паров воды листьями растений сои находился: в 2015 году - в интервале от 0,11 до 0,52 моль H₂O м²/с, в 2016 - от 0,42 до 1,02 моль H₂O м²/с, в 2017 - от 0,35 до 2,22 моль H₂O м²/с.

В наших исследованиях наиболее высокими значениями устьичной проводимости паров воды характеризовались сорта Белгородская 7 - 1,02 моль H₂O м²/с; Белгородская 8 - 0,80 моль H₂O м²/с; Светлая - 0,75 моль H₂O м²/с; Мерлин - 0,69 моль H₂O м²/с., которые могут быть рекомендованы селекции в качестве исходного материала для создания сортов с высокой урожайностью. Данный способ оценки позволит повысить эффективность отбора на 15-25% и сократить период создания сорта с высокой интенсивностью фотосинтеза на 1-2 года.

Техническим результатом изобретения является то, что с высокой точностью и минимальными затратами времени можно проводить оценку генотипов сои по устьичной проводимости паров воды листьев в полевых условиях экспресс-методом с сохранением растений для последующей оценки по хозяйственно-полезным признакам: урожайности, качеству зерна, устойчивости к биотическим и абиотическим стрессорам; а благодаря широкому диапазону варьирования признака (фиг. 2), выделять высокоурожайные сорта и линии с высокой устьичной проводимостью листьев для включения их в селекционный процесс культуры.