Генетичні аспекти морозостійкості озимої пшениці

Стійкість рослин до дії низьких від’ємних температур є одним із провідних чинників, що визначають ступінь реалізації потенціалу продуктивності озимої пшениці в більшості агрокліматичних зон її вирощування. Тому створення високоморозостійких сортів цієї культури, які відповідають вимогам сучасного сільськогосподарського виробництва, є найважливішою проблемою вітчизняної селекції. Успішне вирішення цього завдання пов’язане з розробкою генетичної теорії отримання сортів, стійких до низькотемпературного стресу.

В останні роки значно зріс інтерес до розробки генетичних основ селекції на морозостійкість, про що свідчить поява великої кількості експериментальних та оглядових робіт, які стосуються різних аспектів цієї проблеми. Одним із перших дослідників, який звернув увагу на різний ступінь перезимівлі гібридного матеріалу, був Нільсон-Еле. Спостерігаючи позитивні та негативні трансгресії в поколіннях, що розщеплюються, він відзначив полігенний тип успадкування морозостійкості у м’якої озимої пшениці. Дослідження особливостей успадкування цієї властивості надалі набули широкого розвитку.

Характер успадкування морозостійкості в першому поколінні

Переважна кількість робіт присвячена характеру успадкування морозостійкості в першому поколінні. Зазначається, що стійкість проти дії низької від’ємної температури проявляється як рецесивна, домінантна або проміжно успадкована ознака. Причому характер її успадкування залежить від вихідних батьківських форм, а також умов загартування та температурного навантаження. Однак більшість дослідників дотримуються думки, що морозостійкість гібридів F1 від схрещування озимих сортів успадковується за проміжним типом з відхиленням у бік більш морозостійкого батька. В експериментах низки авторів гібриди F1 зазвичай поступалися за морозостійкістю кращому батькові на 1–7% і перевершували гірші батьківські форми від 14 до 40%. Рецесивний характер успадкування спостерігали в озимо-ярих гібридів, хоча, за даними інших дослідників, гібриди від схрещування озимої м’якої пшениці з ярою твердою за морозостійкістю займали проміжне положення або наближалися до озимого батька.

Гетерозис за морозостійкістю: частота та ступінь прояву

У зв’язку з проблемою створення гібридної пшениці в 70-х роках було проведено велику кількість досліджень із виявлення гетерозисного ефекту за морозостійкістю. Наявність гетерозису в деяких комбінаціях схрещування відзначали окремі дослідники. Однак інші автори на підставі численних експериментів дійшли висновку, що за стійкістю до дії низьких від’ємних температур у гібридів від схрещування високоморозостійких компонентів із формами середнього рівня стійкості гетерозис спостерігається рідко. За даними А. П. Орлюка, гетерозис відзначено лише у 18,8% із 442 вивчених гібридів F1. Інші дослідники виявили гетерозис у 30 зі 105 проаналізованих гібридів, який коливався від 2 до 37% у сувору зиму та від 1 до 17% у помірну. Таким чином, на підставі численних експериментальних даних можна зробити висновок, що ефект гетерозису в гібридів першого покоління озимої м’якої пшениці проявляється дуже рідко, а ступінь його прояву незначна.

Вплив цитоплазми на морозостійкість

У літературі висловлюється припущення, що цитоплазма має суттєво впливати на прояв морозостійкості як фізіологічної властивості рослинного організму. Однак єдиної думки щодо цього питання серед дослідників досі немає. На підставі вивчення результатів перезимівлі селекційного матеріалу від реципрокних схрещувань багато авторів дійшли висновку про позитивний ефект материнського організму на морозостійкість гібридів озимої пшениці. Такий вплив простежується до F2 та F3, а в наступних поколіннях він практично не спостерігається. У результаті вивчення 189 гібридів інші дослідники виявили позитивний вплив високозимостійкого компонента на зимостійкість гібридних рослин F1, який у наступних поколіннях нівелюється. Висловлюється припущення, що відмінності в реципрокних гібридів виникають у результаті невідповідності плазмогенів цитоплазми та генів, локалізованих у ядрі.

Однак, створивши на базі різних джерел ЦЧС аналоги сортів, С. Ф. Лифенко не спостерігав значних змін морозостійкості при поєднанні цитоплазми видів T. timopheevi, T. timonomum, A. ovata з геномом м’якої пшениці. Практична відсутність впливу материнської цитоплазми на морозостійкість у реципрокних схрещуваннях високо- та середньостійких сортів відзначено в дослідженнях інших авторів. Наявні окремі відхилення, найімовірніше, були пов’язані з помилками, які не піддаються обліку, а також порівняно невеликою кількістю рослин, що аналізувалися. При збільшенні в експериментах вибірки до 300 рослин відмінності між прямими та зворотними схрещуваннями були відсутні.

Не виявлено також материнського ефекту в дослідах інших дослідників після проморожування гібридів, отриманих у результаті діалельних схрещувань. Згідно з даними Л. І. Суркової, у схрещуваннях сортів, контрастних за зимостійкістю, реципрокні відмінності коливалися від 1–2 до 15%, материнський ефект більш стійкого батька спостерігався рідко. У результаті аналізу наявних у літературі даних можна зробити висновок, що плазмогени чинять деякий вплив на прояв морозостійкості, але він незначний і спостерігається головним чином у гібридів F1 від схрещування різко контрастних за цією властивістю генотипів. Відмінності ж між реципрокними гібридами за зимостійкістю, швидше за все, пов’язані з впливом цитоплазми на стійкість рослин проти інших несприятливих чинників зимівлі, таких як льодова кірка, випрівання, вимокання, відлиги тощо.

Успадкування морозостійкості в наступних поколіннях

Порівняльне вивчення морозостійкості гібридів F1 з їхніми наступними поколіннями показало відсутність достовірних відмінностей за цією властивістю між F1 та F2–F6. Аналогічні результати отримано й іншими дослідниками. За даними окремих авторів, успадкування стійкості проти дії низьких від’ємних температур у гібридів F2 та F3 було таким самим, як у F1, хоча частота прояву домінування різнилася. У результаті вивчення успадкування морозостійкості в гібридів пшениці відзначається високий коефіцієнт успадкування в широкому сенсі — H², що свідчить про значну генетичну зумовленість ознаки. Однак у дослідженнях А. П. Орлюка показник успадкування коливався в широких межах — від 30,7 до 81,4%. Автор відзначає більшу успадкованість зимостійкості в гібридів, отриманих від схрещування контрастних за цією властивістю батьків.

Сучасні дослідження, зокрема з використанням молекулярно-генетичних маркерів, підтверджують полігенну природу морозостійкості та ідентифікують численні локуси кількісних ознак (QTL), які контролюють цю властивість. Встановлено, що ключову роль у формуванні морозостійкості відіграють гени, що регулюють експресію факторів транскрипції CBF (C-Repeat Binding Factors), які активують каскад генів холодного загартування. Сучасні селекційні програми все частіше використовують маркер-допоміжну селекцію (MAS) та геномну селекцію (GS) для підвищення ефективності добору морозостійких генотипів. Особлива увага приділяється пірамідуванню алелів, що забезпечують високий рівень експресії генів CBF та інших генів, пов’язаних із синтезом кріопротекторних речовин (антифризних білків, сахарози, проліну).

Таким чином, морозостійкість озимої пшениці є складною кількісною ознакою, що контролюється багатьма генами з адитивним ефектом. Характер успадкування може варіювати від проміжного до домінантного або рецесивного залежно від генотипу батьківських форм та умов середовища. Гетерозис за морозостійкістю є рідкісним явищем і має незначний прояв. Вплив цитоплазми на морозостійкість є обмеженим і проявляється переважно в перших поколіннях за контрастних схрещувань. Високий коефіцієнт успадкування в широкому сенсі вказує на значну генетичну зумовленість ознаки, що робить селекцію на морозостійкість перспективною. Сучасні молекулярно-генетичні підходи, зокрема ідентифікація та використання QTL та генів CBF, відкривають нові можливості для створення високоморозостійких сортів озимої пшениці, адаптованих до мінливих кліматичних умов.

Генетичний контроль морозостійкості озимої пшениці: сучасний стан та перспективи селекції

Морозостійкість озимої пшениці належить до найскладніших кількісних ознак, генетична природа якої визначається полімерною системою спадковості. Аналіз розщеплення гібридів F₂ та F₃, отриманих від схрещування сортів, контрастних за цим показником, демонструє безперервний варіаційний ряд розподілу рослин за рівнем морозостійкості, що підтверджує полігенний контроль ознаки. При цьому в гібридних популяціях спостерігаються як позитивні, так і негативні трансгресії відносно батьківських форм, що свідчить про складні неадитивні взаємодії генів.

Найвища частота позитивних трансгресій за морозостійкістю та продуктивністю фіксується при гібридизації еколого-географічно віддалених генотипів. Зокрема, з комбінації схрещування Ворошиловська × Одеська 12 було виділено один із найбільш морозостійких сортів — Еритроспермум 121/47. Аналогічні результати отримано при схрещуванні Безостої 1 з Білоцерківською 198, де вдалося відібрати форми, що поєднують високу зимостійкість з урожайністю. Важливою умовою отримання трансгресивних форм є використання хоча б одного сорту гібридного походження, створеного за участю високоморозостійкого та продуктивного компонентів.

Обмеження трансгресивної селекції при схрещуванні високоморозостійких сортів

Аналіз великого масиву гібридних популяцій свідчить, що позитивна трансгресивна мінливість практично не виникає при схрещуванні сортів з рекордно високою морозостійкістю. Натомість спостерігається значна кількість вищепленців із нижчим, ніж в обох батьків, рівнем стійкості до низьких температур. Відсутність позитивного трансгресивного розщеплення в таких комбінаціях вказує на генетичну однорідність високоморозостійких сортів за головними генами, що детермінують цю ознаку. Експериментальні дані переконливо доводять, що за допомогою трансгресивної селекції, навіть із залученням значного генетичного різноманіття сортів Triticum aestivum L., неможливо подолати видову межу стійкості пшениці до дії низьких негативних температур. За класичним визначенням У. Вільямса, трансгресивне розщеплення можливе лише тоді, коли батьки не досягають крайньої фенотипової вираженості, яку здатна забезпечити генетична система.

Роль аддитивних, домінантних та епістатичних ефектів у контролі морозостійкості

Для поглибленого вивчення генетичного контролю морозостійкості у гібридів озимої пшениці останніми десятиліттями широко застосовуються діалельні схрещування. Встановлено, що в генетичному контролі цієї ознаки істотна роль належить аддитивним, домінантним та епістатичним ефектам генів. Виявлено, що співвідношення аддитивних і домінантних компонентів у наслідуванні морозостійкості та регенераційної здатності змінюється залежно від режиму проморожування. Дослідження п'яти серій діалельних схрещувань показали, що більша частка генетичної мінливості має неаддитивний характер, що пояснює труднощі селекції озимої пшениці на морозостійкість та необхідність проведення доборів у пізніших поколіннях.

Ряд дослідників (М. А. Федін, А. В. Пухальський та ін.) стверджують, що при селекції на морозостійкість слід створювати форми з підвищеною кількістю домінантних генів, які визначають цю властивість. В експериментах було підтверджено пряму кореляцію між збільшенням кількості домінантних алелів та зростанням зимостійкості сортів. Водночас результати діалельного аналізу інших авторів (Лавриченко, Sutka) засвідчили, що домінантні гени можуть діяти в бік зменшення, а рецесивні — збільшення морозостійкості. Така суперечливість даних вказує на залежність ефектів генів від генотипового середовища та використаних сортів.

Комбінаційна здатність та обмеження діалельного аналізу

Застосування діалельних схрещувань та методу топкросу дозволило визначити комбінаційну здатність багатьох сортів за морозостійкістю. Встановлено, що найвищою загальною комбінаційною здатністю характеризуються сорти з високим рівнем стійкості до низьких температур. У різних генотипових середовищах підтверджено цінність сорту Миронівська 808 як донора зимо- та морозостійкості. Однак діалельний аналіз має суттєві обмеження: він не дозволяє визначити генотипи сортів за стійкістю до дії низьких температур та не розкриває механізми генних взаємодій у конкретних комбінаціях. Крім того, при використанні діалельних схрещувань дослідники часто виходять із припущень про незалежний розподіл генів у батьків та відсутність епістазу, що не завжди відповідає реальній генетичній структурі популяцій.

Цитогенетичні дослідження: хромосомний контроль морозостійкості

Отримання анеуплоїдів сорту м'якої пшениці Chinese Spring стимулювало поглиблені цитогенетичні дослідження, які показали, що стійкість рослин контролюється складною генетичною системою. На початкових етапах було ідентифіковано вісім хромосом, які детермінують морозостійкість: 5А, 7А, 1В, 2В, 1Д, 4Д, 5Д. Сучасні дослідження розширили цей перелік ще на п'ять хромосом. Характерно, що у різних сортів контроль здійснюється як однотипними хромосомами, так і різною їх кількістю — від трьох до семи. Наприклад, у сорту Безоста 1 морозостійкість контролюється хромосомами 2В, 3В, 5В, 1Д, 4Д, у сорту Миронівська 808 — 1А, 5А, 7А, 1В, 2В, 3В, 4В, 5В, 6В, 1Д, тоді як у сорту Cappelle Desprez — лише 5А, 1Д, 5Д.

Біохімічні дослідження електрофоретичних спектрів запасних білків встановили зв'язок між морозостійкістю та алелями гліадинкодуючих локусів. У запасних білках найбільш морозостійких сортів завжди присутні блоки компонентів гліадину Gld 1А1 або Gld 1А2, Gld 1Д5, Gld 6А3, Gld 6Д2. Це відкриває можливості для маркер-допоміжної селекції.

Роль геному Д та походження високої морозостійкості гексаплоїдних пшениць

Дискусійним залишається питання про першопричину різкого підвищення морозостійкості гексаплоїдних пшениць порівняно з тетраплоїдними видами. Одні дослідники (Е. А. Барашкова та ін.) вказують на першорядне значення додавання геному Д до геному АВ тетраплоїдних видів. Інші (А. Limin, D. Fowler) на основі вивчення взаємодії генів у синтетичних амфідиплоїдів вважають, що підвищення морозостійкості м'якої пшениці пов'язане не з геномом Д як таким, а стало результатом мутацій та рекомбінацій з подальшим добором на гексаплоїдному рівні. Цитогенетичні та біохімічні дослідження підтверджують висновки про полігенну природу морозостійкості, отримані раніше на основі гібридологічного аналізу.

Зв'язок озимості та морозостійкості: сучасні підходи

Здатність до зимівлі пшениці визначається насамперед озимим типом розвитку, тому інтенсивно вивчається характер зв'язку між озимістю та стійкістю до дії низьких негативних температур. Сучасні молекулярно-генетичні дослідження дозволяють ідентифікувати гени, що контролюють потребу в яровизації (Vrn-гени) та фотоперіодичну чутливість (Ppd-гени), які опосередковано впливають на морозостійкість. Встановлено, що алелі домінантних генів Vrn, які знижують потребу в яровизації, негативно корелюють із зимостійкістю. Перспективним напрямом є використання QTL-картування для ідентифікації генетичних локусів, що контролюють морозостійкість, та впровадження маркер-допоміжної селекції для прискорення створення стійких сортів.

Сучасна селекція на морозостійкість озимої пшениці базується на комплексному підході, що поєднує класичний гібридологічний аналіз, цитогенетичні методи, біохімічне маркування та молекулярно-генетичне картування. Незважаючи на значний прогрес у розумінні генетичної природи морозостійкості, залишаються невирішеними питання щодо подолання видової межі стійкості та створення сортів, здатних витримувати екстремально низькі температури без втрати продуктивності. Подальші дослідження мають бути спрямовані на вивчення епістатичних взаємодій, ідентифікацію нових генів-кандидатів та розробку ефективних схем добору в пізніх поколіннях гібридів.

Генетичний контроль морозостійкості та типу розвитку озимої пшениці: сучасний погляд на селекційні аспекти

Дослідження К. Цуневакі, Т. Халлорона та А. Пагслі встановили, що ярий тип розвитку пшениці зумовлений присутністю одного або кількох із чотирьох домінантних інгібіторів озимості Vrn1–Vrn4, тоді як озимість забезпечується рецесивним станом усіх чотирьох генів (Pugsley A., 1972). Локалізацію генів яровизації визначено в хромосомах 5А, 5В, 5D та 2В. Однак, проаналізувавши велику кількість ярих пшениць, А. Ф. Стельмах та В. І. Авсенін (1983, 1985) не виявили генотипів із локусом Vrn4, що свідчить про його рідкісність у сучасному генофонді.

Особливої уваги заслуговує той факт, що частина генетичної системи морозостійкості контролюється хромосомами, ідентичними тим, що визначають тип розвитку. Це явище найбільш виражене у високоморозостійких сортів, таких як Одеська 16 та Миронівська 808. Деякі автори (Low C., Jenkins G., 1970; Cahalan Ch., Low C., 1979) припускають, що морозостійкість і чутливість до яровизації зумовлені одними й тими самими генетичними факторами. Однак таке твердження є спірним, оскільки існують сорти з дуже тривалою стадією яровизації, але слабкою морозостійкістю, і навпаки — короткостадійні генотипи з підвищеною стійкістю до низьких негативних температур. Крім того, в польових умовах яровизація зазвичай завершується до настання морозної погоди (Федоров О. К., 1960; Долгушин Д. А., 1963), що, однак, не призводить до зниження рівня морозостійкості (Бабенко В. І., Бірюков С. В., 1975), який досягає максимуму в середині зими. За А. Pugsley (1963) та Gonjon C. et al. (1968), гени, що зумовлюють озимість у пшениці, не ідентичні генам морозостійкості. Літературні дані про локалізацію властивостей морозостійкості та озимо-яровості свідчать про те, що вони контролюються складними генетичними системами, розташованими в ідентичних хромосомах, принаймні у морозостійких сортів. При цьому гени морозостійкості незалежні від факторів озимого типу розвитку, але в процесі загартування останні чинять плейотропний вплив на формування стійкості рослини пшениці до низьких негативних температур (Федін М. А., 1979).

Походження озимих форм із ярих генотипів

У літературі наведено приклади появи озимих форм пшениці від схрещування ярих сортів (Вавилов М. І., Кузнєцова Є. С., 1923). Детальне вивчення цього явища в останні роки дозволило А. Ф. Стельмаху та В. І. Авсеніну (1987) розробити спосіб отримання озимих рослин, заснований на гібридизації певних за генами Vrn ярих м’яких пшениць. Залежно від компонентів схрещування, у F2 вищеплюється 1/16 або 1/64 озимих нащадків. Проморожування таких генотипів у більшості випадків показало дуже слабку їхню морозостійкість. Однак виявлялися форми, які перевищували середньоморозостійкий сорт Безоста 1 за стійкістю до низьких негативних температур. Це свідчить про ймовірність присутності в генофонді ярих пшениць генів морозостійкості та про можливість отримання таким шляхом принципово нового вихідного матеріалу озимих пшениць за цією ознакою. Сучасні молекулярно-генетичні дослідження підтверджують, що алельні варіанти генів Vrn можуть бути маркерами для добору вихідних форм із прихованим потенціалом морозостійкості.

Фотоперіодична чутливість та її вплив на продуктивність

Після завершення стадії яровизації затримка в розвитку озимої пшениці зумовлюється включенням генетичної системи фотоперіодичної чутливості. Встановлено, що чутливість до фотоперіоду є рецесивною, а нечутливість визначається домінантними генами Ppd1–Ppd3, які локалізовані в хромосомах 2D, 2B та 2A відповідно (Диленок Л. А., Яцевич А. П., 1984). Причому за силою реакції на фотоперіод хромосоми розташовуються в такому порядку: 2D > 2A > 2B (Scarth, Low, 1984). Характерно, що до появи сорту Безоста 1 усі вітчизняні сорти озимої пшениці відрізнялися різко вираженою реакцією на скорочення тривалості дня, тоді як сучасні генотипи, що перебувають у виробництві, переважно фотонейтральні (Долгушин Д. А., 1980; Мусіч В. М., 1983). Залучення домінантних генів Ppd до генофонду пшениць дозволило різко збільшити потенційну продуктивність нових сортів та їхню скоростиглість. Однак це спричинило зменшення морозостійкості сучасних сортів, що є серйозним викликом для селекціонерів у регіонах із ризикованим землеробством.

Взаємозв’язок між фотоперіодичною чутливістю та морозостійкістю

Аналіз зв’язку фотоперіодичної чутливості та стійкості озимої пшениці до морозу показав, що між цими властивостями існує певна залежність. У більшості випадків морозостійкі сорти затримували виколошування на короткому дні більшою мірою, ніж менш стійкі. Однак ця залежність не є абсолютною. Попереднє вивчення отриманих у лабораторії часткової генетики пшениці ВСГІ ізогенних за локусами Ppd ліній сорту Миронівська 808 (Стельмах А. Ф., Кучеров В. А., 1984) показало відсутність між ними істотних відмінностей за морозостійкістю. Це вказує на те, що гени Ppd можуть бути не прямо пов’язані з механізмами стійкості до низьких температур, а їхній негативний вплив на морозостійкість є непрямим, зумовленим змінами в фенології рослин. Сучасні дослідження з використанням QTL-картування підтверджують, що морозостійкість контролюється полігенно, і основні локуси часто збігаються з регіонами, що відповідають за чутливість до фотоперіоду та яровизацію, зокрема на хромосомах 5A та 5D.

Практичні аспекти селекції на морозостійкість

Сучасна селекція озимої пшениці стикається з необхідністю балансувати між високою продуктивністю, скоростиглістю та стійкістю до абіотичних стресів. Використання молекулярних маркерів, зокрема для генів Vrn та Ppd, дозволяє прискорити добір генотипів із бажаним поєднанням ознак. Наприклад, комбінування рецесивних алелів Vrn (для забезпечення озимості) із домінантними алелями Ppd (для фотонейтральності) може дати сорти, які швидше розвиваються навесні, але потребують додаткового загартування восени. Водночас важливо враховувати, що плейотропні ефекти генів яровизації можуть впливати на морозостійкість лише за певних умов загартування, тому селекційні програми мають включати польові оцінки стійкості в різних кліматичних зонах. Актуальним напрямом є також вивчення епігенетичних механізмів, які модулюють експресію генів морозостійкості залежно від температури та тривалості освітлення.

Таким чином, сучасні уявлення про генетичне детермінування морозостійкості значно розширилися, що забезпечує більш цілеспрямоване проведення селекційних робіт зі створення стійких до низьких негативних температур сортів озимої пшениці, які відповідають вимогам сучасного сільськогосподарського виробництва. Інтеграція класичних генетичних підходів із новітніми технологіями геномного редагування та маркер-асоційованої селекції дозволить подолати компроміс між продуктивністю та стійкістю, створюючи сорти, здатні витримувати екстремальні погодні умови без втрати врожайності.