Селекция и генетика кукурузы:
Селекция кукурузы

автор:

Серед головних зернових культур кукурудза є одною з найбільш поширених. Пластичність культури як селекційного та генетичного об’екта дало змогу розповсюдитись їй по усій земній кулі. Різноманітним є спектр використання кукурудзи: головна зернофуражна і силосна культура для тварин та в більшости країн світу використовується, перш за все, як продукт харчування для людини у самих різних напрямах, а в останий час і як джерело для виробу біопалива.

Історія розвитку селекції кукурудзи

Кукурудза — найстародавніша сільськогосподарська культура Америки і до цього часу її дикий предок невідомий. Археологічні знахідки вказують на те, що в Мексиці кукурудзу вирощували вже 10 тис. років тому.

З використанням масового добору, найстарішого і найбільш простого методу поліпшення кукурудзи, одержана більшість вільнозапильних сортів. Цей метод використовував видатний піонер селекції Джеймс Л. Рейд в США. Створений їм сорт Reid Yellow Dent вирощувався на ¾ зайнятих кукурудзою площ у кукурузному поясі США протягом не менш 50 років. Багато інбредних ліній, синтетиків, сестринських популяцій, різних гібридів були одержані на базі генотипів, виділених із цього сорту.

Перші самозапильні лінії (СЗЛ) були виділені з сортів Рейд, Ланкастер, Міннесота, Лімінг, Фултон та ін. На сучасному етапі розвитку генофонду інбредних ліній одержання цінних СЗЛ прямо з сортів є дуже проблематично. На наступному етапі селекції кукурудзи були створені синтетичні популяції, що є гібридом, який складається з більш, ніж чотирьох ліній і наступне потомство якого вирощується шляхом масового добору. Сьогочасно основним вихідним матеріалом для створення СЗЛ є прості, трьохлінійні та інши гібриди кукурудзи. Структура і сучасні типи гібридів кукурудзи наведені у табл. 1.

Таблиця №1.
Структура і сучасні типи гібридів кукурудзи
Тип гібрида Формула гібрида
1 Простий міжлінійний A x B
2 Трьохлінійний (A x B) x C
3 Подвійний міжлінійний (A x B) x (C x D)
4 Сортолінійний S x A, S x (A x B)
5 Лінійносортовий (A x B) x S
6 Складний 4-лінійний [(A x B) x C] x D
7 Складний 5-лінійний [(A x B) x C] x (D x E)
8 Складний 6-лінійний [(A x B) x C] x [(D x E) x F]
9 Складний 7-лінійний {[(A x B) x C] x G} x [(D x E) x F]
10 Складний лінійносортовий [(A x B) x S] x [(D x E) x F]
11 Простий модифікований (A x Ai ) x B, (A x Ai ) x (B x Bi )
12 Трьохлінійний модифікований (A x B) x (C x Ci)

В Україні в більшості регіонів вирощуються трьохлінійні (ТЛГ) та прості (ПГ) гібриди, а серед них — середньоранні ТЛГ, середньоранні ПГ, середньостиглі ПГ, середньопізні ПГ, середньостиглі ТЛГ. Останні групи займали незначне місце. Як видно з табл. 2. найбільш популярними є трьохлінійні гібриди (ТЛГ). Причини розповсюдження ТЛГ наступні: 1) вдале поєднання потенціалу продуктивності та собівартості насіння; 2) найбільш вигідний варіант одержання ранньостиглих та середньоранніх гібридів, лінії яких мають порівняно невисоку продуктивність (у „Реєстрі сортів рослин України” вони займають 64%); 3) в тесткросній схемі прості гібриди є найбільш частими тестерами.

Однак, ТЛГ поступово стали витискатись ПГ: у 1996 році кількість ПГ складала 29,7%, а на 2000 рік вже складала 40.3%. Збільшення зареєстрованих ПГ відбувається в основному за рахунок гібридів закордонної селекції.

Таблиця №2.
Розподіл за скоростиглістю і структурою гібридів, які зареєстровані в Україні
Група стиглості Типи гібридів
ПГ ТЛГ ПМЛГ БЛГ інші
Ранні 2,5 9,7 2,9 1,7 -
Середньоранні 14,7 25,6 3,4 1,7 1,7
Середньостиглі 10,9 6,7 2,4 0,4 -
Середньопізні 9,7 2,1 - - 0,4
Пізні 2,1 0,4 - - 0,8
Разом 40,3 44,5 8,4 3,8 2.9
Примітка: ПГ — простий гібрид, ТЛГ — трьохлінійний гібрид,
ПМЛГ — подвійний міжлінійний гібрид, БЛГ — багатолінійний гібрид.

Адаптивна стійкість

У силу недостатньої екологічної стійкості врожайний потенціал сучасних сортів та гібридів в умовах виробництва реалізується на 10—30%. А річні коливання врожаю одного й того ж гібрида можуть бути двох-трьохкратними в зонах стійкого землеробства та 5—6-кратними в посушливих регіонах. У сприятливих умовах перевагу необхідно віддавати сортам з високим потенціалом урожайності, а в несприятливих — стійким до стресових факторів.

      Адаптивна селекція повинна вирішувати наступні задачі:
  • підвищення ефективності використання сонячної радіації;
  • чутливість рослин до мінеральних добрив при недостатній вологозабезпеченості;
  • створення холодостійких форм;
  • добір гібридів із позитивною реакцією на загущення;
  • підвищення врожайності та водночас скорочення періоду вегетації;
  • одержання форм із нейтральною реакцією на фотоперіод;
  • селекція зразків із прискореною вологовіддачею зерна;
  • підвищення стійкості рослин до шкідників та хвороб.

Стійкість генотипів до загущення

Один з основних шляхів вирішення проблеми подальшого підвищення урожайності та стабільності генотипів — створення та впровадження стійких до загущення гібридів. Підвищення густоти стояння, в першу чергу, пов’язано із збільшенням фотосинтетичного потенціалу фітоценозу.

Починаючи з 50-х рр. ХХ ст. в США відбулась переорієнтація морфобіотипів гібридної кукурудзи. На зміну форм із високою індивідуальною продуктивністю прийшли гібриди, які формують урожай не за рахунок збору зерна з однієї рослини, а за рахунок високої густоти посіву. Для гібридів, стійких до загущення, властива висока функціональна організація агрофітоценозу і, в цілому, вони краще адаптовані до умов інтенсивних технологій.

Вважається, що сучасні комерційні гібриди повинні не тільки мати господарсько — цінні ознаки, а і позитивно реагувати на збільшення густоти посівів. Ця ознака особливо важлива для ранньостиглих гібридів, які характеризуються більш низьким генетичним потенціалом продуктивності в порівнянні з пізньостиглими формами. В процесі селекції негативна кореляція між скоростиглістю і продуктивністю має бути усунена за рахунок покращання елементів структури і загущення рослин на од. площі.

Перспективним напрямом є селекція безлігульних гібридів для їх використання в загущених посівах. Еректоїдне розташування листків у таких форм сприяє кращому освітленню нижніх листків і підвищенню інтенсивності фотосинтезу. Це дає можливість збільшити кількість рослин/га до 70—120 тис. проти 30—60 тис/га при вирощуванні звичайних гібридів. Селекція безлігульних гібридів ведеться з використанням генів lg1 і lg2. На їх основі створюються безлігульні аналоги гібридів або нові безлігульні самозапилені лінії з комплексом ГКО. Безлігульні гібриди можуть знайти найбільше застосування на зрошуваних землях.

Посухостійкість і жаростійкість

Економічна та енергетична кризи в України в 90-х рр. зумовили розповсюдження енергозберігаючих технологій у сільському господарстві. Для таких технологій потрібний зовсім другий екотип рослини, ніж при інтенсивних. Нова модель гібрида повинна забезпечувати: швидке дозрівання, низьку збиральну вологість зерна та достатньо високий генетичний потенціал врожайності зерна з низькою нормою реакції на умови вирощування.

Найкраще посухі та жарі протистоять ранньостиглі гібриди. До критичного періоду кукурудзи відносять два тижні до цвітіння та три тижня після нього. При селекції на посухостійкість можна орієнтуватися на два типи рослин кукурудзи: а) рослини, які здатні витримувати стресові умови літнього періоду вегетації при загущенії; б) з нормальною густотою рослин.

Якість зерна

Основний напрям селекції кукурудзи в цьому відношенні — створення гібридів із високою якістю білка, збалансованого по амінокислотному складу. Відомо, що кількість білка в зерні кукурудзи складає 10—13%. При цьому білок має, головним чином, малоцінну фракцію — зеїн з низьким вмістом незамінних амінокислот — лізину і триптофану.

Створення високобілкових (16—20%) форм кукурудзи з використанням донорів цієї ознаки показало, що вміст лізину знижується. Тому селекція кукурудзи на якість пов’язана з широким використанням в селекції мутантних генів о2 і fl2, що пригнічують синтез зеїну з одночасним підвищенням кількості глютелінів й інших фракцій білка, багатих на лізин.

Створення методом беккросу високолізинових ліній за участю генів о2 і fl2 дозволило одержати гібриди із вмістом білка 14—16% і рівнем лізину у білку 4,5—5% проти 2—2,5% у звичайної кукурудзи. Проте такі гібриди не знайшли широкого розповсюдження у виробництві, оскільки поступалися за врожайністю звичайним гібридам на 10—15%. Причина цього — борошниста структура ендосперму лізинової кукурудзи, що позначається на зниженні маси 1000 зерен і натури зерна. Підвищена вологість такого зерна обумовлювала зниження стійкості до хвороб і збільшення ступеня травмування зерна.

Для підвищення врожайності високолізинової кукурудзи і поліпшення її по ряду показників використовують генетичні методи зміни структури ендосперма за допомогою генних комбінацій о2fl2, o2su2, o2wx і підбором модифікаторів. Виявлені гени-модифікатори, що змінюють морфологію ендосперма, але зберігають біохімічний ефект гена о2. Фенотипічна дія модифікаторів виявляється у формі мозаїчного ендосперма, коли рогоподібні ділянки розташовуються серед борошнистих острівцями. Рогоподібний ендосперм може бути представлений шарами різної потужності, іноді займаючи майже весь об’єм.

У зв’язку з тим, що збільшення маси 1000 зерен за рахунок підвищення склоподібності зерна може супроводжуватися деяким зниженням вмісту лізину, необхідно відбирати форми з нормальним ендоспермом і оптимальним амінокислотним балансом. Використання цих методів дозволило створити оригінальні лінії, що мають модифікований ендосперм, підвищений вміст білка з покращеним співвідношенням амінокислот. На їх основі одержаний ряд високолізинових гібридів, які не поступаються по врожайності звичайним гібридам, а іноді й перевищують їх. Один із таких гібридів — простий гібрид Геркулес ВЛ, створений у селекційно-генетичному інституті (м. Одеса).

Велике значення для поліпшення якості корму з кукурудзи має зниження вмісту лігніну. Лігнін — складний ароматичний полімер. Утворюючи міцні хімічні зв’язки з целюлозою, геміцелюлозою й іншими компонентами клітини, він наче інкрустує її стінки і знижує перетравлюваність корму, пригнічуючи дію ферментів. Селекційна робота зі зменшення кількості лігніну проводиться з використанням мутацій коричневої жилки листа bm. Низьколігнінові аналоги ліній створюють методом насичуючих схрещувань. При цьому рівень зниження вмісту лігніну в листостебловій масі може варіювати від 2,5 до 23,9%. Найбільший ступінь його зменшення спостерігається у ліній, створених за участю мутації bm3.

Олійність зерна

Створення гібридів з підвищеним вмістом олії — перспективний напрям в селекції кукурудзи для кормових, харчових і медичних цілей. Високоолійна кукурудза представляє великий інтерес як високоенергетичний корм для тварин. Кукурудзяна олія в 2,5 рази калорійніше за крохмаль. У зерні кукурудзи міститься 3—5% олії, причому 60—80% її доводиться на зародок. Тому в цілях створення гібридів з підвищеним виходом олії з гектара застосовують відбір форм з крупнішими зародками. Селекції на крупний зародок приділяється увага ще і тому, що це пов’язано з підвищеною кількістю в ньому білка, лізину і триптофану. Дослідження показали, що у зародку кукурудзи міститься 23,3% білка, 6,1% лізину і 1,2% триптофану, а в ендоспермі — відповідно 9,5, 1,6 і 0,3%. Селекція на крупний зародок повинна проводитися з використанням матеріалу, відібраного по врожайності і іншим цінним ознакам.

Скоростиглість та холодостійкість

Цей напрям набуває все більшого значення у зв’язку з просуванням кукурудзи в північні регіони. Холодостійкі гібриди повинні давати дружні сходи за ранніх термінів сівби, забезпечувати високі темпи початкового росту, а також швидке відростання і менше зниження продуктивності рослин після дії заморозків. Підвищеною холодостійкістю відрізняються гібриди Дніпровський 247 MB, Одеський 90 MB, Воронезький 38 ТБ, виведені для північної зони.

Здатність до комбайнового збирання

Слабкий розвиток кореневої системи і ламке стебло у кукурудзи обумовлюють вилягання рослин (кореневе і стеблове). Ураження їх стебловою і кореневою гниллю, пошкодження кукурудзяним метеликом також можуть бути причиною вилягання рослин, що утруднює збирання і приводить до втрат урожаю. Здатність до комбайнового збирання поряд зі стійкістю до вилягання визначають такі ознаки, як висота прикріплення нижнього качана і довжина ніжки качана.

Багато районованих гібридів характеризуються низьким прикріпленням качанів (30—50 см), що призводить до втрат зерна при механізованому збиранні. Важливе значення має положення качана на стеблі. Невелике провисання його оберігає від перезволоження, оскільки під обгортку не затікає волога, зерно в таких качанах сухіше в порівнянні із зерном вертикально розташованих качанів. Проте сильне поникання качана, що має довгу ніжку, коли його верхівка знаходиться низько над землею (30 см і нижче), може бути причиною ураження цвіллю і пошкодження гризунами. Тому високе прикріплення качана повинне поєднуватися з вкороченою ніжкою, щоб після поникання його верхівка знаходилася на висоті не менше 50—60 см від поверхні ґрунту. При цьому значно збільшиться кількість качанів, придатних для машинного прибирання.

Швидка втрата вологи зерна у період дозрівання

Створення таких гібридів має велике значення для впровадження енергозберігаючих технологій вирощування кукурудзи, оскільки дозволяє проводити збирання з одночасним обмолотом качанів та знизити витрати на сушку зерна. Використання ліній, зерно яких має властивість швидко висихати в період дозрівання, дозволяє одержувати гібриди з вологістю зерна на 3—4% нижче в порівнянні з одночасно квітучими, але гібридами, що не мають цю ознаку. На основі ліній, що швидко висихають, П346, П502 і MU4 створений трилінійний гібрид Дніпровський 273АМВ, що має комплекс господарсько цінних ознак і знижену вологість зерна при дозріванні.

Стійкість до хвороб і шкідників

Один з найважливіших напрямів селекції — створення і впровадження у виробництво гібридів кукурудзи з комплексною стійкістю до хвороб і шкідників. Рішення даної проблеми ускладнюється тим, що у кукурудзи налічується понад 40 різних хвороб, значна кількість яких викликається грибами, а також бактеріями і вірусами. Більшість збудників мають декілька фізіологічних рас.

Повсюдно поширена пухирчаста сажка, яка може вражати всі надземні частини рослини. Дуже небезпечною хворобою вважається летюча сажка: в цьому випадку качан перетворюється на масу спор. Гриби і бактерії викликають стеблову і кореневу гниль кукурудзи. Значної шкоди завдає гельмінтоспоріоз. У вологих районах поширений гельмінтоспоріоз північний, який може знижувати врожайність більш ніж на 60%. Уражається кукурудза іржею, несправжньою борошнистою росою, а також вірусними хворобами — смугастістю та крапчастістю листків.

Кукурудзу ушкоджують понад 25 шкідників, серед яких найбільш небезпечним є кукурудзяний, або стебловий, метелик. Гусениця його ушкоджує листя, виїдає зерна, тканини стебла, стрижнів і ніжок качанів, в результаті знижується врожайність, утруднюється механізоване збирання внаслідок обламування і вилягання рослин. На частинах рослин, пошкоджених личинками, розвиваються збудники грибних і бактерійних хвороб. Ушкоджують кукурудзу різні види совок й інші шкідники.

Для оцінки селекційного матеріалу за стійкістю до хвороб та шкідників застосовуються різні методи: створення штучного інфекційного фону; довгострокова монокультура; загущення посівів; підвищення дози азотних добрив та перестій рослин протягом 14—30 днів після повної стиглості зерна.

На основі вивчення етіології патогенезу основних хвороб кукурудзи В.Г. Іваненком запропонована система суміщення інфекційних та інвазійних фонів, що копіюють природні патосистеми. Вона припускає поєднання провокаційних, штучних інфекційних (сажкові гриби, хвороби листків) та інвазійних фонів (кукурудзяний метелик, попелиці). Запропонована також класифікація стійкості до факультативних (фузаріоз, гельмінтоспоріоз, коренево-стеблові гнилі) та облігатних патогенів (сажкові та іржасті гриби), яка передбачає розділення патогенів на групи залежно від здатності використовувати органічні речовини рослин. Отримані результати у системі диалельних та тестерних схрещувань наборів з 4—8 лінії з кожної гетерозисної групи дозволили оцінити певну генетичну різноманітність кожної групи зародкової плазми за допомогою генетичних дистанцій по їх стійкості до різних патогенів.

У результаті широкого використання в селекції кукурудзи індукованого мутагенезу В.В. Моргун отримав нові мутантні самозапилені лінії, на основі яких були створені стійкі до основних хвороб високопродуктивні скоростиглі гібриди: Ювілейний 60МВ, Колективний 210АТВ, Колективний 244МВ, Колективний 100ТВ та інші. Лінії, стійкі до коренево-стеблових гнилей: Р502, А417 W64AS, A632 (США), Co152 (Канада), F2(Франція), HMV404 (Угорщина) і ОК104 (Україна).

Генетично модифікована кукурудза

Біотехнологічна (генетично модифікована — ГМ) кукурудза в 2006 р. вирощувалась на 25,2 млн га (25% площі під ГМ-культурами), у 2003 р. цей показник становив 15,5 млн га. Це найбільший приріст площі (38,5%) і очікується, що в найближчому майбутньому рівень приросту ГМ- кукурудзи залишиться найвищим, оскільки попит на неї постійно зростає (табл. 3).

Найбільші площі ГМ-кукурудзи та ще трьох основних ГМ культур (соя, олійний ріпак, бавовник) у 2006 р. були відведені за стійкістю до гербіцидів (72%). Водночас зросли також площі посівів біотехнологичної кукурудзи з комбінованими ознаками стійкості до гербіцидів та шкідників.

На 2007 рік зареєстровано та прийнято до промислового виробництва їжи і кормів 43 лінії ГМ кукурудзи (із яких 13 із комбінованими ознаками) багато з яких вже знайшли комерційне застосування у 14 країнах світу. Из них більшість ГМ-ліній отримано методом мікробомбардування рослинних клітин та тканин, деякі з них прямим переносом ДНК, електропарацією незрілих ембріонів, методом хімічно опосередкованого переносу у культуру протопластів та регенерації.

Таблиця №3.
Деякі вивільнені генетично модифіковані лінії кукурудзи
Лінія кукурудзи Компанія Призначення Вбудована ознака
GA21 (Roundup ReadyR, Mon832, NK603 (Roundup ReadyR)) Monsanto Для потреб харчування та як корма для тварин Стійкість до гербіциду (СГ)
676, 678, 680 Pioneer - “ - - “ -
B16/DLL25 Dekalb - “ - - “ -
TC1507 ( HerculexR 1) Dow Agro Sciences, Dupont - “ - - “ -
T14, T25 Bayer Crop Science - “ - - “ -
MS3 (In VigorR) MS6 (In VigorR) - “ - - “ - СГ, чоловіча стерильність
Mon863, Mon80100, Mon810, Mon802, Mon809 Monsanto - “ - Стійкість до кукурудзяного метелика (СКМ)
Bt176, Bt11 Syngenta - “ - - “ -
DBT418 ( Bt XtraR) Dekalb - “ - - “ -
CBN-351 (StarLinkR) Aventis В корма тваринам СКМ, СГ

Слід зауважити, що деякі комерційні ГМ лінії кукурудзи трансформовані генами, що надали для рослини не одну, а більше нових властивостей. Так, лінія Bt 11, яку випускає Syngenta, має стійкість до кукурудзяного метелика і толерантность до гербіцидів фосфінотріцину (РРТ) та глюфоцинату амонію.

Молекулярно-біологічна характеристика
ГМ-кукурудзи лінії Вt 11

Організм-донор і спосіб генетичної трансформації. Донор гена cry1Ab, що визначає стійкість до кукурудзяного метелика (Ostrinia nubilalis), є ґрунтова бактерія — Bacillus thuringiensis (Bt), що продуцірує у процесі спороутворення білки, які володіють селективною дією проти вузької групи комах, у т.ч. кукурудзяного метелика. Інсектицидні білки приєднуються до специфічних ділянок клітин травній системи комах і утворюють іон селективні канали в клітинних мембранах, що призводить до лізису клітин та загибелі комах.

Донор гена pat Streptomyces viridochomogenes (Sv) є також грампозитивною спороутворючею грунтовою бактеріею. Ген pat кодує синтез фермента фосфінотріцинацетилтрансфераза (ФТАТ).

Гербіцид глюфосинат амонію інгібує фермент глутамінсинтетазу, який грає істотну роль у метаболізмі азоту у рослин, в результаті діється накопичення аміаку, що веде до загибелі клітин раслини. ФТАТ ацетилує вільну NH2 групу глюфосинату амонію, що заважає накопиченню аміаку.

Плазмідна ДНК була вбудована у протопласти кукурудзи інбредної лінії Н8540 за допомогою прямій трансформації ДНК при інкубації у хімічному розчині і регенерації на селективному середовищі.

Був використаний трансформаційний плазмідний вектор р ZO1502, основніми генетичними елементами якого є:

  • ген cry1Ab Bt, що визначає стійкість до стеблевого метелика;
  • промотор 35S із віруса мозаїкі цвітній капусти, що контролює експресію гена cry1Ab;
  • IVS9 інтрон гена 1S алкогольдегідрогенази кукурудзи, що регулює експресію генів у рослини;
  • NOS3΄ термінатор гена нопалінсинтазы із At;
  • ген pat із Sv, що забеспечує стійкість до глюфосинату амонія;
  • промотор 35S із віруса мозаїкі ранника, що контролює експресію IVS2 гена 1S алкагольдегідрогенази кукурудзи, яка регулює експресію генів у рослини.

Ген bla, виділений із E. сoli, що кодує синтез фермента β-лактамази, який забеспечує резистентність до ряду антибіотиків, у рослини не експресується.

Експресія трансгена. Оцінка вмісту білка показала, що зерно кукурудзи лінії Bt 11 на протязі 84-ох діб вирощування містить 8,2 нг білка cry1Ab на 1 мг загального білка. Рівень білка PAT у зерні нижче рівня визначення, у листків його вміст нижче 0,0005% від загального білка.

Оцінка безпеки ГМ-ліній кукурудзи

Медико-біологічна оцінка ГМ-кукурудзи лінії Bt 11, стійкої до кукурудзяного метелика і гербіциду глюфосинату амонія та лінії Т 25, стійкої до гербіциду глюфосинату амонія, дозволяє констатувати, що за усими вивченими показниками не виявлено токсичної, генотоксичної, імуномодулируючей та алергеної дії чужорідних генів (Росія: РАН, РАМН, РАСХНЛ). Вивчення хімічного складу зерна ГМ-кукурудзи лінії Bt 11 і лінії Т 25 показало ідентичність складу зерна кукурудзи, що вирощувається за традиційній технології.

На основі результатів проведених досліджень Державної санітарно-епидемиологичної службою Російської Федерації надано дозвіл на використання кукурудзи лінії Bt 11 і лінії Т 25 у харчової промисловості та реалізації населенню без обмежень.

Поделиться:
Селекция и генетика кукурузы: