Результат интеллектуальной деятельности: Способ отбора генотипов пшеницы озимой с повышенным содержанием в зерне белка и клейковины по эффективности использования 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 не только высокий и стабильный, но и высокого качества урожай зерна в разных условиях выращивания. Важное значение в данном случае имеет эффективное использование растениями воды в процессе своего роста и развития.

Доступность воды, является одним из основных факторов, определяющих производство сельскохозяйственных культур и качество урожая (Chandler J.W., Bartels D., Drought avoidance and drought adaptation, Encyclopedia Water Sciense. 2003. P. 163-165.) [1].

Отмечено, что у растений эффективность водопотребления существенно зависит как от технологии их культивирования и экологических условий произрастания, так и наследственных особенностей (Zhang S.Q., Shan L. The research advance of water use efficiency in plants // Agricultural Research Arid Areas. 2002. N.20. P. 1-5) [2].

Поэтому целенаправленная селекция в этом направлении позволит получать высокий и качественный урожай зерна за счет более эффективного использования биологического потенциала культуры и биоклиматических ресурсов зоны ее производства.

По отбору генотипов по показателям качества зерна известен способ внутрисортового отбора семян пшеницы на качество белка включающий замачивание семян в воде, измерение разности потенциалов между зародышем и эндоспермом семени и выделение семян с наиболее высокими показателями разности потенциалов, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности способа, замачивание семян в воде ведут в течении 5,0 5,5 ч, а измерение разности потенциалов между зародышем и эндоспермом осуществляют через воду (Патент РФ №2075913 А01Н 1/04 и А01С 1/02, опубл. 27.03.1997) [3].

Известен способ определения хлебопекарных качеств зерна, включающий размол зерна с получением муки 70% выхода, определение водопоглотительной способности и валориметрической оценки муки, отличающийся тем, что для проведения определения водопоглотительной способности и валориметрической оценки муки производят микроснимки размола зерна методом оптического микроскопирования, на которых из центра тяжести фигуры, ограниченной контуром частицы муки, проводят не менее 300 отрезков к контуру частицы во все стороны, определяют среднеарифметическое значение длин получившихся отрезков X, мкм, и коэффициент вариации длин получившихся отрезков К, %, затем определяют водопоглотительную способность муки, ВПС, %. (Патент РФ №2433398 G01N 33/10, опубл. 10.11.2011 бюл. №31) [4].

Недостатком известных способов является их трудоемкость, а главное они не позволяют провести отбор в полевых условиях и сохранить семенной материал отобранных растений.

Так же известен способ прогноза содержания белка в зерне будущего урожая озимой пшеницы во время ее вегетации, содержащий отбор пробы растительной биомассы с исследуемого участка в фазу весеннее кущение - начало выхода в трубку и определение в ней валового содержания азота в процентах от абсолютно сухого вещества, отличающийся тем, что, дополнительно определяют валовое содержание фосфора и калия в пробе, учитывают дозы внесения азота и фосфора в удобрениях, внесенных с осени, а содержание белка в зерне определяют по формуле (Патент РФ №2149534 A01G 7/00, опубл. 27.05.2000) [5].

Недостатком известного способа является то, что он трудоемкий, отбор растений в полевых условия и последующие определения валового содержания азота в процентах от абсолютно сухого вещества не позволяет выделить перспективные и сохранить семенной материал перспективных генотипов с высокими показателями белка в зерне. К тому же он не учитывает такие важные физиологические процессы растений, как транспирацию и фотосинтез, значимо влияющие на урожай и качество зерна.

Известно, что за счет фотосинтеза образуется до 95% сухого вещества урожаев. При этом на данный результат существенно влияет транспирация растений, поскольку она не только уберегает растение от перегрева, защищая хлоропласты от разрушения, но и создает непрерывный ток воды из корневой системы к листьям, с помощью которого передвигаются из корневой системы растворимые минеральные и, частично, органические питательные вещества - чем интенсивнее транспирация, тем быстрее идет этот процесс (Fischer R.A., Rees D., Sayre K.D. et al. Wheat yield progress is associated with higher stomatal conductance, higher photosynthetic rate and cooler canopies // Crop Science. 1998. Vol. 38. P. 1467-1475) [6].

Но, на транспирацию растения, иногда, затрачивают до 60-70% преобразованной солнечной энергии фотосинтезом (Слейчер Р. Водный режим растений. М.: Мир, 1970. 367 с.) [7]. К.А. Тимирязев называл транспирацию «необходимым злом» растений (Тимирязев К.А. Избранные сочинения Т. 1. М.: Государственное издание сельскохозяйственной литературы, 1957. 274 с.) [8]. Поэтому эффективность использования воды растениями является важным показателем, который необходимо учитывать и применять на современном этапе селекции сельскохозяйственных культур.

Известен показатель эффективности использования воды растениями который определяется методом расчета соотношения интенсивности фотосинтеза к интенсивности транспирации. Данный показатель используют для выделения сортов с повышенной засухоустойчивостью (Li Y., Li Н., Li Y., Zhang S. Improving water-use efficiency by decreasing stomatal conductance and transpiration rate to maintain higher ear photosynthetic rate in drought resistant wheat // The Crop Journal. 2017. N. 5. P. 231-239.) [9] и в изучении этапов эволюции фотосинтеза (Рахманкулова З.Ф., Шуйская Е.В., Воронин П.Ю., Веливецкая Т.А., Игнатьев А.В., Усманов И.Ю. Роль фотодыхания и циклического транспорта электронов в эволюции С4 фотосинтеза на примере промежуточного С3-С4 вида Sedobassia sedoides / Физиология растений. Т. 65. №3. 2018. С. 232-240) [10].

Однако, данный способ оценки эффективности использования воды растениями не предполагает выделение сортообразцов пшеницы с повышенными показателями качества зерна - содержанием белка и клейковины, содержание которых в продовольственном зерне 3 класса согласно ГОСТу (ГОСТ Р 52554-2006) [11] должно составлять: белка 12,0% и более, клейковины - 23% и более.

Задачей данного изобретения является разработка эффективного способа, позволяющего оценивать в массовом количестве исходный селекционный материал и отбирать перспективные для селекции генотипы пшеницы озимой с повышенным содержанием в зерне белка и клейковины.

Техническим результатом изобретения является оценка генотипов озимой пшеницы по эффективности использования воды методом расчета соотношения интенсивности фотосинтеза к интенсивности транспирации и отбор генотипов с повышенным содержанием в зерне белка и клейковины по показателю эффективности использования воды.

Поставленная задача и указанный технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе отбора генотипов пшеницы озимой с повышенным содержанием в зерне белка и клейковины по эффективности использования воды, заключающимся в расчете отношения интенсивности фотосинтеза к интенсивности транспирации, включающем измерение интенсивности фотосинтеза и интенсивности транспирации флаговых листьев, которое проводят в фазу налива зерновок с 8:00 до 10:00 часов дня по местному времени с помощью переносного газоанализатора марки GFS-3000 FL, измерительную камеру которого прикрепляют к листу растения, при этом в измерительной камере устанавливают режим освещения - 1000 мкмоль/м²с, при этом генотипами с повышенным содержанием в зерне белка и клейковины признаются сорта и селекционные образцы со значением эффективности использования воды на 30% больше от средней по оцениваемой выборке.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где представлена эффективности использования воды в зависимости: фиг. 1 - от фазы роста; фиг. 2 - яруса листьев; фиг. 3 - времени суток; фиг. 4 - интенсивности освещения у разных сортов пшеницы озимой в фазу налива зерновки.

Экспериментально установлено, что наиболее значимые генетические различия эффективности использования воды фиксируются в фазу налива зерновки (фиг. 1).

В годы исследований эффективность использования воды флагового листа у сортов пшеницы озимой была в 1,3 раза выше предфлагового, и в 3 раза у - ниже расположенного (фиг. 2).

Поэтому отбор предлагается проводить на флаговых листьях, прежде всего, в фазу налива зерновок по результатам измерения значений эффективности использования воды у флагового листа, на который ложится основная нагрузка в обеспечении зерновок фотоассимилятами (Sanchez-Bragado R. Photosynthetic contribution of the ear to grain filling in wheat: a comparison of different methodologies for evaluation // R. Sanchez-Bragado [et. al.] / Journal of Experimental Botany, Vol. 67, No. 9 pp. 2787-2798, 2016. doi: 10.1093/jxb/erw116) [12].

При этом установлено высокая зависимость эффективности использования воды листьев растений от интенсивности их освещения (фиг. 3) - насыщенность интенсивности фотосинтеза наблюдается при освещенности в 1000 мкмоль/м²с.

Учет интенсивности фотосинтеза и интенсивности транспирации для последующих расчетов осуществляют в утренние часы - с 8 до 10, когда погодные условия наиболее благоприятны для максимального проявления активности фотосинтеза: интенсивность освещения достигает насыщающего уровня, а температура воздуха не оказывает на растения стрессового воздействия - не наблюдается обезвоживания и перегрева клеток листа, как это происходит в полуденное и послеполуденное время (Ma С.С., Gao Y.B., Guo H.Y., Wang J.L. Photosynthesis, transpiration, and water use efficiency of Caragana microphylla, C. intermedia, and C. korshinskii // Photosynthetica. 2004. N42(1). P. 65-70) [13].

Способ осуществляется следующим образом.

Измерение интенсивности фотосинтеза и интенсивности транспирации листьев пшеницы озимой проводят в полевых условиях с помощью переносного газоанализатора марки GFS-3000 FL (или аналога), при уровне освещения в измерительной камере 1000 мкмоль/м²с, которую прикрепляют к флаговому листу растения, и после стабилизации ее рабочего режима (1-1,5 минуты) фиксируют на цифровом экране прибора значения интенсивности фотосинтеза и интенсивности транспирации. Для измерения отбирают 5-7 типичных для генотипа растений, произрастающих в середине делянки, у которых листья не имеют повреждений вредителями и поражений болезнями.

Оценку генофонда пшеницы озимой и отбор на повышенное содержание в зерне белка и клейковины по эффективности использования воды проводят в фазу налива зерновок, когда отмечается наибольшая разница по интенсивности фотосинтеза между генотипами. Установлено, что в эту фазу роста растений сорта с высокой эффективностью использования воды на 50% превосходили сорта со средней эффективностью использования воды и на 83% - с низкой. В другие фазы преимущество сортов с высокой эффективности использования воды не превышала 8% над другими сортами (фиг. 1). Для оценки используют флаговый лист растений пшеницы озимой, на который ложится основная нагрузка в обеспечении зерновок фотоассимилятами, что и проявляется в большей его эффективности использования воды: на 33% по сравнению с предфлаговыми листями и 3 раз по сравнению с нижними (фиг. 2).

Оценку и отбор перспективных генотипов по отношению к свету следует проводить с 8 до 10 часов по местному времени, когда погодные условия наиболее благоприятны для фотосинтеза и транспирации растений, а между сортами отмечается наибольшие различия (фиг. 3).

При этом также отмечается высокая зависимость эффективности использования воды от режима освещения (фиг. 4). Так у сортов пшеницы озимой при увеличении интенсивности освещения до 1000 мкмоль/м²с эффективность использования воды флагового листа увеличивается, в среднем по сортам на 47%, а при более интенсивном освещении отмечается спад - на 5%.

Оценка 15 генотипов по эффективности использования воды позволила установить широкий диапазон варьирования признака (табл.). Среднее значение эффективности использования воды по оцениваемой выборке составила 2,54 СО₂/Н₂О. Исследования позволили установить между эффективности использования воды и качеством зерна высокую, существенную положительную корреляционную связь: 0,60 - с белком и 0,41 - с клейковиной (существенна при Р=0,05). Оценка позволила выявить сорта с повышенным содержанием белка и клейковины: Московская 39 (14,5% и 24,1%, соответственно), Московская 40 (15,0% и 24,8%, соответственно), которым свойственно высокое значение эффективности использования воды: от 3,41 до 4,19 СО₂/Н₂О. Что позволяет сделать вывод о том, что сорта с повышенным содержанием белка и клейковины, характеризуются и высоким значением эффективности использования воды, которое превышает среднюю по выборке на 30%.

При этом между эффективностью использования воды и урожайностью не выявлено значимой связи. Что позволяет рекомендовать признак «эффективности использования воды», как показатель для отбора перспективных генотипов пшеницы озимой с повышенным содержанием в зерне белка и клейковины при сохранении высокого уровня урожайности.

Используя данный способ, можно уже на ранних этапах селекции (питомники отбора 1 и 2-го годов) с высокой точностью и минимальными затратами времени проводить в полевых условиях массовую оценку (за 3 часа 50-60 образцов) генотипов пшеницы озимой по эффективности использования воды и отбирать из них перспективные с повышенным содержанием в зерне белка (не менее 12,0%) и клейковины (не менее 23%), сохраняя семенной материал для последующего включения в селекционный процесс культуры. Это позволит создать сорта озимой пшеницы, формирующие не только высокий, но и качественный урожай зерна для продовольственного использования.