Актуальность темы Чечевица Lens culinaris Medik. (Lens esculenta Moench.) является ценной продовольственной и кормовой культурой. В зерне чечевицы содержится до 36% белка, который сбалансирован по содержанию аминокислот, лимитирован лишь по метионину и цистеину. Чечевица, наряду с другими зернобобовыми культурами, играет важную роль в увеличении ресурсов азота в земледелии и является хорошим предшественником для зерновых культур. Зеленая масса чечевицы используется в качестве высоко белкового корма для скота.
Однако, несмотря на высокую потребительскую ценность чечевицы, площади ее постоянно уменьшаются из-за низкой технологичности: неравномерности созревания, растрескиваемости и осыпаемости бобов, полегаемости, низкого прикрепления бобов, короткостебельности, а также из-за отсутствия эффективной уборочной техники. В конце 80-х годов в Российской Федерации посевы чечевицы занимали около 50 тыс. га, а валовой сбор составлял в среднем около 30 тыс. тонн в год. В 90-е годы производство чечевицы постоянно сокращалось и в 1996 -1997 гг. оно составило всего 7% к уровню 1986-1990 гг. Урожайность культуры в последние годы упала почти в два раза по сравнению с уровнем конца 80-х годов и в среднем по стране составляет менее 4-х ц/га (Зятьков Ю.Н., 1999).
Инициатором возобновления исследований по селекции чечевицы и вовлечению в селекционный процесс образцов мировой коллекции ВИР во Всероссийском научно — исследовательском институте зернобобовых и крупяных культур в 90-е годы был М.Д. Варлахов.
Основным направлением селекционной работы с чечевицей является создание сортов с высокой семенной продуктивностью, приспособленных к механизированной уборке. Для повышения эффективности селекции необходимо вести целенаправленный поиск источников высокой продуктивности, крупносемянности, длинностебельности, компактного
5
габитуса, устойчивости к фузариозу и других хозяйственно полезных признаков.
Важным источником исходного материала для селекционной работы является коллекция сортообразцов чечевицы. Наряду с внутривидовой гибридизацией в расширении разнообразия исходного материала для селекции чечевицы положительных результатов можно ожидать от межвидовой гибридизации и методов биотехнологии.
Цель и задачи исследований Целью настоящей работы является комплексное изучение коллекции чечевицы Lens culinaris и определение возможностей межвидовой гибридизации в роде Lens. В задачи исследований входило:
изучить коллекцию чечевицы Lens culinaris по основным хозяйственно полезным признакам и выделить сортообразцы,
перспективные для практической селекции;
- изучить особенности морфологии и размножения дикорастущих видов чечевицы;
- определить возможность получения межвидовых гибридов между чечевицей обыкновенной Lens culinaris и дикорастущими видами рода Lens;
- разработать метод культивирования изолированных оплодотворенных семяпочек чечевицы;
- получить межвидовые гибриды чечевицы с использованием культуры семяпочек;
изучить морфобиологические особенности сортов чечевицы перспективных для возделывания в центральных регионах Российской Федерации;
Научная новизна исследований В условиях Центрально — Черноземного региона Российской Федерации проведено комплексное изучение коллекции чечевицы и выделены источники хозяйственно полезных признаков. Выявлены особенности варьирования и взаимосвязей количественных признаков чечевицы. Проведено морфобиологическое
6
описание дикорастущих видов чечевицы. Выявлены совместимые и несовместимые скрещивания в роде Lens. Определен характер наследования признаков - фиолетовая окраска цветка и антоциановая окраска эпикотиля. Показана возможность расширения спектра генетической изменчивости чечевицы в результате межвидовой гибридизации. Разработаны оптимальные составы питательных сред, обеспечивающие максимальную выживаемость зародышей чечевицы определенного возраста. Определены основные морфобиологические особенности сортов, перспективных для возделывания в условиях центральных регионов Российской Федерации.
Практическая ценность работы Определены перспективы использования сортообразцов коллекции чечевицы, ценных по комплексу хозяйственных признаков, в селекции на высокую семенную продуктивность, технологичность и качество. Создан каталог признаковой коллекции чечевицы. Разработан метод культивирования изолированных семяпочек чечевицы, позволяющий преодолеть межвидовую несовместимость. Получены перспективные для селекции регенерантные линии. Получены межвидовые гибриды чечевицы Lens culinaris x Lens orientalis, Lens culinaris x Lens odemensis, Lens culinaris x Lens tomentosus. В ходе реализации селекционных программ выведен новый сорт чечевицы обыкновенной Светлая, который в 2004 году передан на Государственное сортоиспытание в Российской Федерации и Республике Беларусь.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на IV Международной научно-практической конференции "Интродукция нетрадиционных и редких сельскохозяйственных растений" (Ульяновск, 2002), школе-конференции «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2003), VIII Международной конференции «Биология растительных клеток и биотехнология» (Саратов, 2003), научной конференции, посвященной 100-летию научной селекции в России (Москва, 2003), III Международной научной конференции «Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии» (Москва,
7
2004), научно-координационном совещании «Научное обеспечение производства зернобобовых и крупяных культур» (Орел, 2004), II и III Московских международных конгрессах «Биотехнологии: состояние и перспективы развития» (Москва, 2003, 2005).
Публикация результатов исследований По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, 4 из них на английском языке.
8 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Народно - хозяйственное значение и распространение чечевицы
Чечевица Lens culinaris Medik. является одной из наиболее важных зернобобовых культур продовольственного и кормового значения (Помогаева А.И., 1966; Лузина З.А., 1962; Чернева Н.И., 1997; Майорова М.М., 1999а; Волузнева Т.А., 1985; Колесникова М.С., 1976). Среди зернобобовых культур чечевица по питательности занимает одно из первых мест. По количеству белка чечевица занимает второе место после сои и превышает по данному показателю горох, нут, фасоль (Татаринцев А.И., 1966; Лузина З.А., 1964). В ее семенах содержится от 27-до 36 % белка (Бенкен И.И., Амиров Л.А., 1977).
Белки чечевицы отличаются высокой усвояемостью. Исследования, проведенные во Всероссийском научно - исследовательском институте растениеводства им. Н.И. Вавилова показывают, что усвояемость белков чечевицы организмом человека достигает 86% - это лишь немногим ниже усвояемости белков животного происхождения (Лузина З.А., 1962).
В результате исследований, проведенных И.И.Бенкеным с соавторами (Бенкен И.И., Амиров Л.А., 1977; Бенкен И.И. и др., 1977), установлено, что в целом вид Lens culinaris характеризуется самой низкой активностью ингибиторов трипсина, в среднем равной 1,3 мг/г. В пределах вида имеется незначительная сортовая изменчивость этого показателя - от 0,8 до 1,9 мг/г. В то время как в семенах фасоли обыкновенной трипсинингибирующая активность составляет в среднем 10,2 мг/г с колебанием между сортами от 6,65 до 16,9 мг/г. Этими же авторами установлено, что белок чечевицы богат лизином, дефицитным для большинства растительных белков.
Разработаны оригинальные технологии белковых препаратов чечевицы различной степени очистки - мука, концентрат, водная дисперсия, изолят, текстурат, рекомендуемые как аналоги соевых белковых препаратов. Они обеспечивают биологическую полноценность пищевых продуктов и
9
позволяют целенаправленно регулировать функционально-технологические свойства пищевых систем (Антипова Л.В., Глотова И.А., 2000; Антипова Л.В., Глотова И.А. и др., 2001).
Разработаны рецепты и технологии комбинированных продуктов питания из чечевицы, близких или аналогичных по вкусовым достоинствам к питьевым молочным и кисломолочным продуктам (Антипова Л.В., Курчаева Е.Е. и др., 2001; Курчаева Е.Е. и др., 2002; Антипова Л.В., Перелыгин В.Н. и др., 2001а). Установлена возможность использования белков чечевицы в технологии эмульсионных продуктов, в частности, майонезов (Антипова Л.В., Перелыгин В.Н. и др., 20016).
Использование белка чечевицы рекомендуется в технологии комбинированных и искусственных мясных продуктов, чтобы максимально повысить усвояемость мясной продукции и обеспечить нормальное протекание обменных процессов в организме человека. В частности, разработаны рецептурные композиции паштетов для школьного питания (Антипова Л.В., Ушаков П.А. и др., 2000; Антипова Л.В., Осминин О.С., 2000, 2001; Крылова В.Б. и др., 2001).
Для устранения недостаточной пищевой и биологической ценности традиционных сортов хлеба, а также для расширения ассортимента хлеба, в качестве полноценного сырья используют чечевичную муку (Чижикова О.Г. и др., 2000; Пащенко Л.П. и др., 2000).
Как и другие зернобобовые культуры, чечевица имеет большое значение в кормопроизводстве. Солома и мякина чечевицы по кормовым качествам превосходят солому и мякину гороха, а в смеси с яровыми зерновыми культурами по своей питательности заменяют хорошее сено. В них содержится до 18-20% белка (Посыпанов Г.С., 1987; Залозный К., 1963; Варлахов М.Д., 1996; Клименко В.Г. и др., 1960).
Чечевица является источником органических удобрений, обогащает почву азотом, благодаря чему является хорошим предшественником для
10
других культур, особенно для кукурузы и яровых (Леонтьев В.М., 1966; Варлахов М.Д., 1998; Парахин Н.В. и др., 1995).
Все эти факторы и обуславливают возрастающий в последнее время интерес к данной культуре.
Чечевица - одна из старейших культур. Она выращивалась белее 8,5 тыс. лет назад на Ближнем Востоке. Затем ее производство распространилось в Средиземноморье, Азию, Европу и Западное полушарие (Oplinger E. et al., 1990; Sell R., 1993).
В мире в период с 1986 по 1999 гг. отмечается рост производства чечевицы наряду с другими зернобобовыми культурами, например, с фасолью и люпином. Так в период с 1986 по 1990 гг. мировое производство чечевицы было на уровне 2,491 млн.тонн, а к 1999 году возросло до 2,985 млн.тонн. Причем рост производства чечевицы и фасоли происходил в основном в результате повышения урожайности. Посевная площадь чечевицы в период с 1986 по 1990 гг. составляла 3,213 млн.га, а к 1999 г. достигла 3,401 млн.га. (Зятьков Ю.Н. и др. 1999).
В начале 20-го века Италия была одним из крупнейших производителей чечевицы (Sonante G. et. al., 2001). Однако в последнее время производство чечевицы в Италии значительно уменьшилось. Причинами послужили полегание и вследствие этого затруднение механизированной уборки (Bozzini A., Chiaretti D., 1995).
В Испании зернобобовые культуры широко используются в пищу. В год на человека приходится до 6 кг (в Европе — 3,5 кг, в мире - 7 кг, в Индии — 14 кг), из них 2 кг приходится на чечевицу (Muzguiz M., 1997). В Европейских странах Испания остается одним из главным производителей чечевицы (Muehlbauer F., 1993).
Чечевица одна из наиболее важных с экономической точки зрения и наиболее употребляемая из зернобобовых культур в Греции (Doxasmakis G., 2002). Годовая потребность страны по чечевице составляет 10000-12000 тонн. В течение последних 15 лет (1983-1998) средний урожай чечевицы
11
составил 1,29 т/га, однако в отдельных случаях он достигал 3 т/га и более. Но автор отмечает, что к 2000 г площадь посева чечевицы резко сократилась.
Главным экспортером данной культуры является Турция, где чечевица является одной из наиболее распространенных зернобобовых культур (Kusmengly I., 1993; Kusmengly I., Bayauer A., 1995).
Возрастает производство чечевицы в Соединенных Штатах Америки и Канаде, при этом большая часть производимой чечевицы экспортируется (Oplinger E. et al., 1990). Основным направлением селекционных программ в этих странах является увеличение урожайности и создание сортов с круглыми или плоскими семенами и красными, желтыми или зелеными семядолями (Bhatty R.S., 1993).
Достаточно востребованной культурой чечевица является в Австралии, где площадь её посевов составляет 120 тыс. га (Brouwer ,2002).
Большое внимание изучению чечевицы, наряду с другими культурами, уделяется в международном центре сельскохозяйственных исследований в засушливых регионах (ICARDA, Сирия). Основным направлением исследований этого центра является создание высокорослых прямостоячих образцов, пригодных к механизированной уборке (Muehlbauer F., 1993).
В Российской Федерации производство чечевицы за последние годы резко уменьшилось. Если в 1913 году площадь посевов чечевицы составляла 425 тыс.га, в 1930 г. - 501 тыс.га, в 1935 г. - 1021,6 тыс.га, то в 1945 г. она сократилась до 143,5 тыс.га, в 1955 г. — до 87,6 тыс.га, а в 1964 г. — до 43,9 тыс.га (Татаринцев А.И., 1966).
В конце 80-х годов в РФ посевы чечевицы занимали 50 тыс.га, а валовый сбор составлял в среднем около 32 тыс.тонн в год. Основные посевы были сосредоточены в Саратовской области. В 90-е годы производство данной зернобобовой культуры в стране постоянно сокращалось и в 1996-1997 г.г. оно составило всего 7% к уровню 1986-1990 гг. В 1998 году было собрано всего около 1 тыс.тонн чечевицы. Урожайность культуры в 90-е
12
упала почти в 2 раза по сравнению с уровнем конца 80-х годов и в среднем по стране составила 4 ц/га (Зятьков Ю.Н. и др., 1999).
Тем не менее, в последние годы в результате комплексного подхода к сравнительной оценке всех зернобобовых культур прослеживается тенденция увеличения интереса к чечевице как к товарной культуре. Чечевица входит в число зернобобовых и крупяных культур, которые при комплексной сравнительной экономической оценке занимают одно из самых ведущих мест во всех основных природно-экономических зонах. Так, в условиях Черноземной зоны на кормо-товарно-семенные цели в ведущую группу, состоящую из 5 культур, входят четыре зернобобовые: фасоль, чечевица, горох и чина. (Терехов А.И., 2004).
Однако возрастающий интерес к культуре чечевицы обыкновенной сдерживается ее низкой урожайностью и технологичностью: неравномерностью созревания, растрескиваемостью и осыпаемостью бобов, низким прикреплением бобов, короткостебельностью, отсутствием пригодной уборочной техники. Вследствие чего изучение морфобиологических особенностей и выявление источников хозяйственно полезных признаков имеет большое значение для селекции чечевицы.
1.2. Условия, влияющие на продукционный процесс чечевицы
В настоящее время имеется необходимость теоретического обоснования задач селекции чечевицы на высокую семенную продуктивность. Знание их дает селекционеру возможность активного вмешательства в процесс формирования более продуктивного генотипа, правильного отбора его по фенотипу (Майорова М.М., Сорокин СИ., 19986; Гордеев А.И., 1984; Бобкова Ю.А., 2001).
Основные факторы, влияющие на реализацию потенциальной продуктивности чечевицы, обусловлены генотипом и поддаются
13
значительному варьированию в зависимости от метеорологических условий (Горельникова М.М., 1982).
А.И. Помогаева и Г.П. Рыбакова (1972; 1975а; 19756) показали что, погодные условия в период созревания и уборки оказывают большое влияние на энергию прорастания и всхожесть, а также количественные признаки очень чувствительны к условиям окружающей среды и имеют сильную изменчивость.
Ряд ученых сходится во мнении, что именно температурный фактор является очень важным в развитии растений чечевицы. Г.С. Посыпанов и М.М. Майорова (1987) при разработке модели сорта небуреющей чечевицы в зоне Среднего Поволжья установили среднюю сумму активных температур необходимую для нормального развития, которая составляет 2160-2300° С.
З.А. Лузина (1962) отмечает, что семена чечевицы не требовательны к теплу при прорастании, но дружные всходы появляются лишь при температуре почвы 7-10°С. Однако они могут переносить заморозки до 8-10°С.
Г.Г. Васенина (1980) показала, что чечевица наиболее требовательна к теплу в период от цветения до созревания зерна. Посевы данной культуры нормально развиваются при средней температуре 17-20°С. Дальнейшее её повышение при одинаковом количестве осадков положительного влияния на налив семян не оказывает, а напротив, вызывает уменьшение массы 1000 семян.
Чечевицу относят к растениям длинного дня. В условиях укороченного дня различные сорта и формы её не цветут или зацветают значительно позже. (Лузина З.А., 1962). ...
Опыты, проведенные З.А. Лузиной (1962), показали, что продолжительность фазы от всходов до цветения зависит от комплекса условий внешней среды, но одним из основных и решающих факторов, способствующих нормальному росту и развитию, является продолжительность дневного освещения.
14
Т.А. Волузнева (1976) отмечает, что в период развития всходы -цветение решающую роль играет продолжительность дневного освещения, а в период цветение - созревание большое значение имеют температура, осадки и относительная влажность воздуха.
З.А. Лузиной (1962) показано, что изменчивость вегетационного периода наблюдалась в пределах разных широт. Е.И. Барулиной (1930) отмечено, что повышение среднесуточных температур сокращает период от всходов до цветения, а понижение - удлиняет его.
Для получения высоких урожаев семян чечевицы необходимо 140-220 мм осадков за вегетационный период. Также, кроме общего количества осадков, большую роль играет их распределение (Посыпанов Г.С., Майорова М.М., 1987).
З.А. Лузина (1962) отмечает, что в период набухания и прорастания семян чечевица наиболее требовательна к влаге. В последующих фазах её развития потребность в воде снижается. Излишнее увлажнение в период налива семян удлиняет вегетационный период и способствует появлению ржавчины и других заболеваний, что ведет к снижению урожая и качества зерна (Васенина Г.Г., 1972; Пронькин Е.Н., 1978; 1979).
Опыты М.М. Майоровой и СИ. Сорокина (1998в) показали, что селекция на урожайность осложнятся тем, что в условиях переувлажнения вследствие полегания и загнивания растений формирование урожая семян сильно зависит от состояния вегетативной массы.
По мнению З.А. Лузиной (1962) наиболее высокие урожаи чечевица дает на песчаных разновидностях чернозема, а также на суглинистых, каштановых и подзолистых почвах. На песчаных, тяжелоглинистых, засоленных, низинных и легко заболачиваемых почвах чечевица сильно снижает урожаи семян.
Г.Г. Васениной (1980) показано, что колебания массы 1000 семян в зависимости от метеорологических условий и почвенного плодородия были довольно значительны у чечевицы сорта Петровская 4/105 — от 46,6 до 76,9 г.
15
Наиболее крупные, тяжеловесные семена образуются на суглинистых черноземах и суглинистых лесных оподзоленных почвах лесостепи.
Агротехнические мероприятия в определенной степени могут способствовать повышению урожая и улучшению качества семян чечевицы. Установлено, что в Орловской области чечевицу лучше высевать в ранние сроки, задержка сева снижает урожайность крупносемянных сортов этой культуры в большей степени, чем мелкосемянных (Уваров В.Н., Кондыков И.В. и др., 2003; Коноплев Ю.И., 2004).
СИ. Сорокин (1999а), проводя опыты на Пензенской селекционной станции, предложил для уменьшения степени риска применять посев в несколько сроков.
Использование нескольких сроков сева чечевицы позволит значительно расширить диапазон периода вегетации и в какой-то мере уйти от неблагоприятных погодных условий (Котляр А.И., Варлахов М.Д., 1999; Коноплев Ю.И., 2004).
Исследованиями М.А. Фенина с соавторами (1974; 1978) было установлено, что на посевах раннего срока появлялись более дружные всходы, растения меньше поражались болезнями, элементы структуры урожая отличались лучшими показателями.
А.Н. Ханыгин с соавторами (1997) показал, что отклонение на десять дней в сторону позднего сева снизило урожай. А также наблюдалась меньшая озерненность растений и формирование менее полновесных семян.
Опыты Л.П. Шевцовой и сотрудников (2000) показали, что у чечевицы ри ранних сроках сева формируются более высокие растения, что ценно при механической уборке.
Посев чечевицы в разные сроки позволяет значительно расширить диапазон сроков уборки (Сорокин СИ., 19996).
При одновременном изучении способов сева чечевицы самый высокий урожай семян был получен при рядовом способе сева. На вариантах широкорядного и ленточного способов посева отмечено самое высокое
16
накопление сухого вещества у растений и более высокое накопление белка. (Помогаева А.И., Бутылкин Ф.А., 1975; 1977а; 19776; Гуляев Г.В., Помогаева А.И., 1957).
Большинство исследователей отмечают высокую требовательность чечевицы к чистоте полей из-за слабой конкурентной способности с сорной растительностью. Злостными сорняками в посевах чечевицы во всех зонах ее возделывания являются овсюг, куколь, марь белая, щирица обыкновенная, осоты, вьюнок полевой, вика плоскосемянная. Сорные растения влияют на продуктивность чечевицы, особенно в начальные фазы ее развития, что объясняется замедленным ростом культурных растений в межфазный период всходы — ветвление (Цой Ф.М.и др., 1999; Бутылкин Ф.А., 1998; Стаценко А.П. и др., 2000).
Г.Г. Васенина (1980) подтвердила связь урожая чечевицы с температурой воздуха и осадками и сделала следующие выводы: высокие урожаи чечевицы могут быть обеспечены в районах, где средние температуры воздуха в целом в период вегетации находятся в пределах от 15 до 18° С и сумма осадков в тот же период составляет около 100 - 180 мм; наиболее крупные, тяжеловесные семена чечевицы образуются при средней температуре воздуха в период цветения до созревания до 20° С и сумме осадков за тот же период не более 80 — 90 мм.
Все перечисленные выше условия влияют на продуктивность растений чечевицы. Результаты испытания сортов данной культуры свидетельствуют о том, что высокий среднегодовой урожай семян может обеспечить сорт, отличающийся высокой стабильностью, а не сорт, имеющий при благоприятных условиях максимальную урожайность семян. Поэтому задача селекции - создание сортов чечевицы, максимально реализующих возможности высокопродуктивного генотипа, а не просто сортов с высокой потенциальной продуктивностью (Майоров М.М., Сорокин СИ., 1998в).
17 1.3. Основные направления селекционной работы с чечевицей
Селекционная работа с тарелочной чечевицей в России начала развиваться в первую очередь в зоне выращивания экспортной чечевицы на Саратовской (Институт Юго-Востока), Петровской, Тамбовской (Чакинской), Ново-Уренской (Институт Черноземной полосы им.В.В.Докучаева) станциях. Постоянно занимались селекцией чечевицы лишь несколько опытных станций - Петровская, Чакинская, Ново-Уренская (Помогаева А.И., 1966).
В Пензенской области селекция чечевицы с 1927 года ведется на Петровской селекционно-опытной станции, на которой созданы и внедрены в производство шесть сортов чечевицы обыкновенной. Специалистами данной станции разработана «Программа по увеличению производства чечевицы», в которой предусмотрено создание новых высокопродуктивных, скороспелых и засухоустойчивых сортов, пригодных к механизированной уборке, устойчивых к вредителям и болезням, имеющих высококачественные семена, а также коренное улучшение семеноводства: ускоренное размножение семян новых сортов с тем, чтобы обеспечить посев высококачественными семенами лучших районированных сортов (Майорова М.М., 19996).
Селекционерами Петровской опытной станции создан сорт чечевицы Веховская 1. По их мнению, использование его на полях хозяйств Средне-Волжского и Центрально-Черноземного регионов позволит увеличить производство этой продовольственной культуры и обеспечить потребности в ней населения (Майорова М.М., 1999в).
В США разработаны программы по селекции и генетике чечевицы. Они связаны с созданием сортов чечевицы, совмещающих высокую биомассу и высокий урожай зерна и с устойчивостью генотипов к двум наиболее вредоносным вирусам, передаваемым тлей (Meuhlbauer F.,1993).
Национальный центр сельскохозяйственных культур Пакистана сформулировал цель селекционного развития чечевицы, которая включает |
