4 Введение
Лен-долгунец - исконно русская сельскохозяйственная культура, которая является важнейшим источником отечественного высококачественного растительного сырья, необходимого для изготовления престижной экологически чистой продукции, пользующейся большим спросом на внутреннем и внешнем рынках. Вместе с тем следует отметить, что это одна из наиболее трудоемких культур сельскохозяйственного производства. В последние десятилетия на фоне сокращения посевных площадей льна-долгунца отмечается снижение урожайности волокна и ухудшение его качества. Поэтому возрождение лидирующих позиций российского льноводства на международном и отечественном рынках натурального сырья - одна из основных задач сельскохозяйственной науки России. Перспективным направлением решения этой проблемы является комплексное использование биологического потенциала культуры (Жученко мл., 1994).
Многие современные отечественные сорта льна-долгунца характеризуются высокой потенциальной урожайностью волокна (20-25 ц/га) и содержанием его в стебле (28-30 %), однако в недостаточной степени решены вопросы раннеспелости, семенной продуктивности, качества волокна, устойчивости к полеганию (Павлова и др., 1999; Крепков, 2000; Тихвинский и др., 2002). Следует отметить, что реализация биологических возможностей современных сортов льна-долгунца в производственных условиях составляет в лучшем случае 30-35 %, что обусловлено в значительной степени влиянием неблагоприятных факторов среды (Александрова, 1994). Дефицит источников устойчивости к основным лимитирующим урожай и качество льнопродукции факторам (засуха, высокая и низкая рН почвы, недостаток цинка и пр.) сдерживают развитие селекционной работы в этом направлении. К примеру, несмотря на то, что в Нечерноземной зоне России доля пашни с низким содержанием цинка составляет почти 50% (Тихомирова, 1997), а лен характеризуется высокой чувствительностью к недостатку этого элемента (Ягодин и др. 1987; Сорокина, 1996), генетическое
5
разнообразие вида L. usitatissimum по устойчивости к дефициту цинка в условиях нашей страны ранее не исследовалось.
В настоящее время в производстве возделываются преимущественно устойчивые и среднеустойчивые к фузариозному увяданию и ржавчине сорта льна-долгунца, однако из-за существенной генетической однородности сортового материала это направление остается актуальным. Генетический контроль устойчивости льна к фузариозному увяданию - наиболее вредоносному заболеванию культуры, известному еще с конца 19-го века, изучен слабо (Стам, 1973; Misra, Kamthau, 1980; Сорочинская, Галкин, 1981; Евминов, Дынник, 1982; Pavelek, 1983; Goray et. al., 1987 и др.). До наших исследований у льна было идентифицировано всего три гена устойчивости, селекционная ценность которых в условиях России не определялась (Knowles et. al., 1955, 1956). Генетика устойчивости льна к ржавчине, напротив, изучена достаточно полно (Flor, 1946; Flor et. al., 1972; Singh et. al., 1981; Кутузова, 1993 и др.). На сегодняшний день имеется достаточно большой запас эффективных в условиях нашей страны генов устойчивости (Кутузова, 1994). В то же время большинство источников эффективных генов обладает рядом отрицательных свойств, что затрудняет использование их в селекции льна-долгунца.
Учитывая, что лен является культурой многоцелевого назначения, важная роль в повышении рентабельности отрасли принадлежит созданию сортов разнонаправленного использования. Например, создание сорта льна Linola (Канада) с низким содержанием в масле линоленовой кислоты - до 3 % (в норме 55-60 %) для пищевого использования позволило обеспечить существенный экономический эффект за счет значительного увеличения периода хранения масла. Таким образом, для развития новых направлений использования льна необходимы источники «нетрадиционных» - ранее не селектируемых признаков и их комплексов: определенный биохимический состав семени, разный уровень поглощения тяжелых металлов, одновременность созревания волокна и семян, устойчивость к отрицательным температурам и т. д.
6
Решение обозначенных проблем невозможно без широкого вовлечения в селекционный процесс мирового разнообразия льна. Для повышения эффективности его использования в селекции необходимо знание генетики важнейших признаков культуры. Особый интерес представляют образцы масличного льна, отличающиеся широким полиморфизмом и обладающие рядом ценных свойств, отсутствующих у долгунцов. Комплексное использование новых источников, выделенных из мировой коллекции льна, будет способствовать стабилизации и дальнейшему росту урожая и качества льнопродукции, расширению сфер применения льносырья и ареала возделывания культуры, включая северные зоны нестабильного земледелия России.
Цель исследований:
Мобилизация, сохранение и изучение мирового генофонда льна для обеспечения комплексного использования генетического потенциала культуры. Задачи исследований:
• обеспечить мобилизацию мирового разнообразия льна для решения приоритетных задач селекции;
• разработать технологию сохранения генетического разнообразия рода Ыпит в Центральном районе Нечерноземной зоны товарного производства льна-долгунца России;
• провести анализ филогенетических связей между различными ботаническими и эколого-географическими группами вида L. usitatissimum с использованием RAPD - метода;
• выделить из коллекции льна источники признаков для традиционных (раннеспелость, продуктивность, качество волокна, устойчивость к биотическим и абиотическим факторам) и нетрадиционных направлений селекции (определенное соотношение ненасыщенных жирных кислот, высокий и низкий уровень поглощения тяжелых металлов и др.), что обеспечит развитие в России новых прогрессивных технологий использования культуры;
7
• оценить изменчивость признаков продуктивности льна-долгунца в
зависимости от агроклиматических условий и выявить сорта, которые могут быть рекомендованы в качестве стандартов;
• провести поиск эффективных генов устойчивости льна к ржавчине и фуза-риозному увяданию и осуществить их идентификацию;
• выявить и создать высокопродуктивные доноры устойчивости льна-долгунца к ржавчине и фузариозному увяданию;
• выявить и создать высокопродуктивные формы масличного льна, адаптированные к условиям Северо-Западного региона России.
Научная новизна работы. Впервые экспериментально установлено, что образцы льна-долгунца, семена которых хранятся длительное время без пересева (более 30 лет) при благоприятных условиях (t +4 °С, всхожесть свыше 95 %), характеризуются более низким качеством волокна, чем периодически пересеваемые.
В результате комплексной оценки мирового генофонда льна в условиях Центрального района Нечерноземной зоны РФ выявлены источники признаков для традиционных и новых направлений селекции. Изучение мирового генофонда масличного льна в «долгунцовой» зоне России проведено впервые, что позволило не только выявить ценный исходный материал для селекции, но и создать высокопродуктивные сорта масличного льна, пригодные для возделывания в условиях Северо-Западного региона страны.
Нами впервые организована широкая сеть комплексной агроэкологической оценки генофонда льна в основных льносеющих странах мира (Россия, Франция, Чехия, Беларусь, Румыния, Канада) с использованием национальных и международных стандартов. Это позволило выявить образцы льна, устойчивые к различным неблагоприятным факторам среды в определенные фенологические фазы роста и развития растений, а также сочетающие высокую продуктивность и широкий адаптивный потенциал.
8 Впервые у льна идентифицировано шесть новых эффективных в условиях
России генов устойчивости к фузариозному увяданию. Создано на их основе и выявлено в коллекции 13 высокопродуктивных доноров, два из которых обладают эффективной устойчивостью к ржавчине. Кроме того, создано 6 высокопродуктивных доноров устойчивости к ржавчине.
Впервые исследованы филогенетические связи между различными ботаническими и эколого-географическими группами вида L. usitatissimum с использованием RAPD - метода.
Впервые проведена дифференциация образцов коллекции вида L. usitatissimum по устойчивости к эдафическим факторам, вызывающим на известкованных почвах проявление «физиологического угнетения» льна (дефицит цинка, избыток кальция и др.).
Теоретическая и практическая ценность работы заключается в создании генетической и ресурсной базы в центральной зоне льноводства России для обеспечения комплексного использования биологического потенциала культуры при решении приоритетных задач селекции.
В условиях Центрального района Нечерноземной зоны товарного производства прядильного льна РФ разработана технология, позволяющая обеспечить надежную сохранность мирового разнообразия генетических ресурсов рода Ыпит. Паспортная характеристика образцов «Национальной коллекции русского льна», созданной при ВНИИЛ, представлена в Международной базе данных по льну при ФАО ООН (International flax database, 1994). Установлена необходимость периодического пересева образцов льна-долгунца в наиболее типичных условиях, что важно учитывать при разработке стратегии сохранения генофонда культуры.
В результате многолетней оценки образцов мирового генофонда вида L. usitatissimum с использованием естественных и анализирующих фонов (разные сроки сева и нормы высева и др.) выявлены источники важнейших хозяйственно ценных признаков льна-долгунца - раннеспелость, продуктивность волокна
9 и семян, выход и качество волокна (разрывная нагрузка, гибкость, метрический
номер, ОРНр и др.), устойчивость к абиотическим и биотическим факторам среды для различных зон выращивания. На основании эколого-географических испытаний в различных льносеющих регионах мира выделены генотипы, сочетающие высокую продуктивность и широкий адаптивный потенциал, а также предложены сорта-стандарты по отдельным хозяйственно ценным и морфологическим признакам для селекционеров России и международной базы данных по льну (по линии FAO Flax Network).
Создана признаковая коллекция по основным морфологическим характеристикам цветка и семени для получения сортов льна с «маркерными» признаками, что необходимо для повышения эффективности селекционной и семеноводческой работы, а также защиты интеллектуальной собственности селекционера. Выявлены источники для развития новых направлений селекции, отличающиеся повышенной поглощающей способностью тяжелых металлов (Си, Fe, Pb и др.) для рекультивационных целей и низкой - для медицинского использования, определенным соотношением ненасыщенных жирных кислот для химической, медицинской и других отраслей промышленности. Выявлены и созданы высокопродуктивные формы масличного льна, пригодные для возделывания в условиях Северо-Западного региона России, что позволяет существенно расширить ареал возделывания культуры и удовлетворить стремительно растущий в стране спрос на льняное масло. Впервые интродуцированы в Центральном районе Нечерноземной зоны РФ дикие виды льна (L. hirsutum, L. tauricum, L. campanilatum и др.), обладающие целым рядом хозяйственно ценных признаков и пригодные для озеленения городов и приусадебных участков.
Идентифицировано шесть ранее неизвестных эффективных генов устойчивости к Fusarium oxysporumf. lini Bolley; созданы доноры льна-долгунца, обладающие различными доминантными эффективными генами устойчивости к фу-зариозному увяданию и характеризующиеся высокой продуктивностью; получены новые высокопродуктивные доноры устойчивости льна-долгунца к
10 ржавчине с эффективными R-генами к различным популяциям Melampsora lini
(Pers.) Lev., имеющимся на территории России.
Установленные нами различия в реакции коллекционных образцов на эда-фические факторы, вызывающие «физиологическое угнетение» растений льна на известкованных почвах, свидетельствуют, что для повышения эффективности использования агрохимических приемов, направленных на предупреждение его проявления, следует учитывать также сортовые особенности культуры.
Классификация образцов мировой коллекции льна (287 генотипов) по степени их генетического родства, проведенная с использованием RAPD - метода, будет способствовать расширению генетической основы создаваемых сортов. Полученные RAPD-спектры на современные отечественные сорта льна-долгунца позволяют более объективно, по сравнению с существующими методами, осуществлять контроль за соблюдением авторских прав селекционера.
Реализация результатов исследований. Выделенные и созданные в результате комплексного изучения мирового генофонда льна источники селекционно-ценных признаков и доноры устойчивости к болезням (11 доноров к фуза-риозному увяданию; 6 - к ржавчине; 2 - к фузариозному увяданию и ржавчине) переданы в селекционные учреждения для использования в селекционном процессе. Результаты изучения и каталог «Национальной коллекции русского льна» представлены нами в монографии «Мобилизация генетических ресурсов льна» (2000). С нашим участием создан сорт льна-долгунца Алексим, характеризующийся высокой устойчивостью к фузариозному увяданию и ржавчине, внесенный в Государственный реестр селекционных достижений Российской Федерации в 1993 г. (патент № 0206). Нами создано пять высокопродуктивных сортов масличного льна, адаптированных к условиям Северо-Западного региона России, на четыре из которых получены патенты (№ 0906, № 0907, № 0908, № 1469). Созданная нами информационно-поисковая компьютерная база данных используется при работе с коллекцией льна. Паспортная характеристика образцов «Национальной коллекции русского льна» включена в международ-
11 ную и российскую базы данных по льну.
Положения, выносимые на защиту:
• в Центральном районе Нечерноземной зоны товарного производства льна-долгунца РФ создана генетическая и ресурсная база, позволяющая обеспечить комплексное использование генофонда льна в традиционных и новых направлениях селекции;
• устойчивость льна к фузариозному увяданию у исследованных линий детерминируется преимущественно одним или двумя доминантными генами; идентифицировано 6 новых высокоэффективных генов (Fu 4 - Fu 9), с использованием которых созданы высокопродуктивные доноры устойчивости к этому заболеванию. Высокопродуктивные доноры устойчивости к ржавчине Г-4496, Г-5062, Г-4918, Г-4210, Г-3979, Г-3996, Г-4254, ГДС 3 обладают одним или двумя эффективными в условиях России генами;
• для селекционеров России и создания международной базы данных предложены сорта-стандарты по основным хозяйственно ценным признакам, что обеспечит выявление в коллекции образцов, сочетающих высокую продуктивность и широкий адаптивный потенциал; созданы высокопродуктивные сорта масличного льна, пригодные для возделывания в условиях Северо-Западного региона России;
• выявленные в мировой коллекции льна существенные генотипические различия по соотношению жирных кислот в масле, накоплению тяжелых металлов в растениях (стебель, семя), позволяют развивать новые направления в селекции.
Апробация работы и публикация результатов исследований. Основные положения работы были доложены: на международном съезде по защите растений (г. Пушкин, 1995); на международном семинаре по фузариозу (г. Мартина Франка, Италия, 1995); на XIV Международном конгрессе EUCARPIA по селекции растений на адаптивность (г. Яваскила, Финляндия, 1995); на IV совещании Европейской рабочей группы по льну при ФАО (Руан, Франция, 1996);
12 на международном симпозиуме ФАО по льну (г. Познань, Польша, 1997); на
международном совещании Европейской рабочей группы по льну и другим лубяным культурам (г. С.-Петербург, 1998); на семинаре по генетическим ресурсам (г. Саскатун, Канада, 1999); на международной научно-практической конференции (г. Торжок, 2000); на международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (г. Пущино, 2001); на международной научно-практической конференции «Генетические ресурсы куль- турных растений» (г. С.-Петербург, 2001); на координационном совещании «Проблемы и перспективы льноводства» (2002) и Всероссийской научной школе молодых селекционеров по льну-долгунцу (г. Торжок, 2004) .
По материалам исследований опубликовано 68 печатных работ, изданных в России и за рубежом, в том числе 1 монография, 1 авторское свидетельство и 6 патентов на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Текст изложен на 263 страницах, включая 54 таблицы и 26 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 440 наименований, в том числе 188 на иностран- ных языках.
Автору принадлежит основная роль в получении экспериментального материала, его обобщении и трактовке. В работах, выполненных в соавторстве, соискатель участвовал на всех этапах исследования от постановки задачи и эксперимента, до обсуждения и оформления результатов. Автор искренне бла- годарен за постоянные советы в процессе выполнения работы и при оформлении диссертации доктору биологических наук А. А. Жученко. Соискатель считает своим долгом выразить глубокую благодарность за оказанную помощь и поддержку в работе специалистам ВНИИ льна, ВИР, Саскатунского научного центра (Канада), НПО «Агритек» (Чехия), фирмы «Фонтен Кани» (Франция), Института генетики и цитологии (Беларусь), Института зерновых и техниче-
13
ских культур (Румыния), а именно: доктору сельскохозяйственных наук, профессору А. Р. Рогаш; доктору биологических наук С. Н. Кутузовой; академику Л. В. Хотылевой; докторам наук A. Diederichsen, V. Pavelek, J. - P. Trouve, F. Popescu; кандидатам сельскохозяйственных наук Н. И. Лошаковой, Л. Н. Кур-чаковой, Л. П. Кудрявцевой; кандидатам биологических наук И. В. Ущапов-скому, Т. В. Крыловой; старшему научному сортруднику Т. С. Киселевой; главному специалисту В. А. Баскакову и другим коллегам, чье участие в работе отражено в совместных публикациях.
1. СБОР И СОХРАНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ЛЬНА Сбор, сохранение, изучение и использование источников зародышевой плазмы растений в большинстве стран мира рассматриваются как национальная задача и служат основой успехов в сельскохозяйственном производстве. М. Гудман в докладе на симпозиуме "Генетические ресурсы и их использование в сельском хозяйстве", проведенном американским обществом генетиков в 1989 году, отметил, что "...различия в продуктивности сельскохозяйственных культур между фермерским (западным - Прим. авторов) и коллективным ведением хозяйства во многом обусловлены гибелью сельскохозяйственной генетики в СССР в 40-е и 50-е годы и продолжающейся потерей основ генетической инфраструктуры и генетических коллекций, что является бедой советской биологии и сельского хозяйства" (Heredity, 1990).
В XX -м веке кардинально изменилось отношение мирового сообщества к генетическим ресурсам. Этому способствовало: 1) наметившаяся тенденция сужения генетического разнообразия видов; 2) опасность возникновения эпи-фитотий из-за снижения генетической изменчивости культивируемых сортов; 3) загрязнение окружающей среды и неопределенность последствий от антропогенных изменений в природе; 4) растущая потребность населения планеты в сельскохозяйственной продукции и интенсификация селекции; 5) непредсказуемость спроса, предъявляемого к сортам будущего потребителями, перераба-
14 тывающей промышленностью и производителями; 6) развитие эффективных
технологий длительного хранения семян. В ноябре 1983 года на 22-й конференции ФАО была принята резолюция, в которой подчеркивалась необходимость сбора, оценки и сохранения зародышевой плазмы растений в масштабе земного шара (Kloppenburg et. al., 1987) .
Селекционное дело - особо трудоемкая и экономически сложная область человеческой деятельности. Для эффективного влияния селекции на развитие отрасли необходимо следующее: исследование и использование разнообразия генетических ресурсов, развитие научно - технологического обеспечения селекционного процесса, поддержание сортоиспытательной и семеноводческой сети, зональное ведение сортовой агротехники, соблюдение всей системы земледелия, осуществление правового регулирования и т. д. Управление комплексом этих элементов раскрывает биологический потенциал отрасли. Поэтому реализация каждого направления требует отдельного рассмотрения и финансирования. Возрастание сложности и трудоемкости селекционной работы сделало ее очень дорогостоящей. Общие расходы на получение нового сорта за 6-10 лет составляют 1,5 - 2,5 млн. долларов и даже более, в зависимости от селектируемого вида (Seeds for our future, 1990). Изучение и сохранение коллекций, в силу самого существа своей деятельности - "поддержание зародышевой плазмы в живом виде", также требуют регулярного и значительного финансирования. В целом, в мире только на сбор генетических ресурсов тратится 55 млн. долларов, в том числе 13,9 млн. в США (Rajan, 1989). Например, Япония - современный лидер по многим генетическим программам, планирует довести уровень ежегодных затрат до 200 млн. долларов только на изучение генетики риса (Crawford, 1989).
Развивающиеся страны, на территории которых находится примерно 70% всего разнообразия зародышевой плазмы Земли (Евдокимов, 1984), самостоятельно не в состоянии обеспечить необходимое финансовое покрытие сохранения генетических ресурсов (Mackenzie, 1983). Эти вопросы связаны с определе-
15 ? нием и защитой прав собственности селекционера на результаты своего труда,
монополизацией семеноводства (Borland, Lewontin, 1986) и возрастающей ролью источников генетической зародышевой плазмы в мировой науке и экономике. Мы согласны с мнением J. Kloppenburg и др. (1987), что спор относительно правил использования генетических ресурсов должен быть решен путем компромисса. Поэтому единственно правильным и возможным решением в проблеме эффективного использования генетических ресурсов является объе-
# динение усилий всех государств мирового сообщества по сбору, изучению и хранению растительного разнообразия на взаимовыгодных условиях с правом свободного доступа к генетическим и информационным банкам. Этой цели, начиная с середины 70-х годов, служат созданные под эгидой ООН международные коллекции основных сельскохозяйственных культур во главе с
^ Международным Советом по генетическим ресурсам растений.
Основным и наиболее распространенным способом сохранения агробио-разнообразия в мировом масштабе является ex situ. До 70-х годов существовало всего две достаточно крупные ex situ коллекции (СССР и США), и число сохраняемых образцов в каждой превышало 250 тыс. Благодаря усилиям специали-
# стов, которые принимали непосредственное участие в сборе растительного разнообразия, а также селекционеров, заинтересованных в исходном материале для выведения новых сортов, число коллекций и образцов в них значительно возросло. В 1984г. в мире уже насчитывалось 80 генбанков, сохранявших 1,5 млн. образцов различных сельскохозяйственных культур, тогда, как общее число образцов, находящихся в национальных коллекциях стран мира, составляло
# около 2 млн. (Lyman, 1984).
К середине 80-х годов в растениеводческих научных кругах широко обсуждается вопрос о необходимости использования in situ, так как оно имеет ряд преимуществ перед ex situ. Так, в экосистемах сохраняется комплекс сложных отношений всех элементов ценоза и генетический состав популяции во всем его многообразии и одновременно продолжается процесс эволюции растений. Го-
16
воря о биогеоценологическом процессе, следует иметь в виду, что «какой - либо вид или форма живых организмов не могут быть сохранены как специфический объект вне свойственного ему сообщества» (Рашек, Васильев, 1984). Ярким примером тому могут служить псковские кряжевые формы льна, которые длительное время служили посевным материалом в Англии (Северная Ирландия), Швеции, Бельгии и других странах. Так, А.В. Данилочкин отмечал, что Бельгия своих посевов льна не признает, а ежегодно ввозит к себе на посев семена псковских долгунцов. При этом указывается, что лучший урожай и качество волокна они дают в первый год, а на третий год вырождаются (Клочков, 1954). Являясь популяциями, псковские кряжевые формы при продолжительном выращивании в новых условиях быстро изменяли и теряли свои ценные хозяйственные свойства. Поэтому в Вологодской, Костромской, Ярославской губерниях семена льна обменивались через каждые 3-4 года, главным образом, на посевной материал из Псковской губернии.
В настоящее время в мире существует примерно 1300 генбанков и 1500 ботанических садов (Jain, 1988; Драгавцев, 1991; Hammer, Diederichsen, 1999). Создана сеть из 17-ти Международных научно-исследовательских центров, из них в 10-ти существуют специализированные международные коллекции важнейших сельскохозяйственных культур по пшенице, кукурузе, ячменю, просу, сорго, рису, бобовым, картофелю и др. Деятельность этих центров курируют и финансируют Консультативная Группа по Международным Сельскохозяйственным Исследованиям - CGIAR и Организация по Продовольствию и Сельскому Хозяйству при ООН - FAO UN. Ни один генбанк мира не дает 100% - ной гарантии сохранения образцов, поэтому требуется их дублирование (Алекса-нян, 2002). Создание дублетных коллекций является традиционной практикой в работе с культурами, представляющими национальный интерес.
Коллекциями льна располагают следующие селекционные организации и структурные подразделения национальных систем по генетическим ресурсам (рис. 1): 1. ВНИИЛ, Россия - 6130 образцов (Жученко мл., Рожмина, 2000);
17
#
50
40
40
Рис. 1 Мировые коллекции льна (о) и установленные контакты с ВНИИЛ (•) |
