МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ,

ИНДУЦИРОВАННАЯ ХИМИЧЕСКИМИ МУТАГЕНАМИ

Международная научно-практическая конференция «ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО В XXI ВЕКЕ»,

посвященная 130-летию со дня рождения Н.И. Вавилова 21-22 сентября 2017 г.

Боме Н.А., доктор с.-х. наук, профессор, Вайсфельд Л.И., главный специалист, Королев К.П., кандидат с.-х. наук, Тетянников Н.В., аспирант, Боме А.Я., кандидат с.-х. наук Колоколова Н.Н., к.б.н., доцент

Институт биохимической физики

им. Н.М. Эмануэля РАН

Нижне-Тавдинский ГСУ – подтайга

Аромашевский ГСУ – подтайга

Ялуторовский ГСУ – северная лесостепь

Омутинский ГСУ – северная лесостепь

Ишимский ГСУ – северная лесостепь

Бердюжский ГСУ – южная лесостепь

Зоны

Сумма t=

10º и

выше, ºС

Основной

период

вегетации, с

t 10º и

выше, сутки

Средняя t

воздуха в

июле, ºС

Средняя t

воздуха в

январе, ºС

Годовая

сумма

осадков,

мм

Сумма

осадков

(июнь –

август),

мм

Таежная 1730-1850 110-120 16,0-18,3 -16,7…-22,2 400-500 219-210

Подтаежная 1830-1920 120-130 17,0-18,0 -18,7…-21,0 400-450 190-210

Северная

лесостепь 1890-2000 120-130 17,3-20,0 -16,7…-20,0 300-400 145-210

Южная

лесостепь 2030-2100 130-140 18,0-21,0 -17,0…-20,0 300-380 160-180

Характеристика метеорологических показателей агроклиматических зон Тюменской

области (Иваненко А.С., Кулясова О.А., 2008)

Культура 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013 г. 2014 г. 2015 г.

Яровая пшеница 445,3 422,3 406,9 414,8 408,1 389,0

Ячмень 125,1 147,6 145,6 135,7 143,3 163,2

Овес 101,9 102,4 109,1 108,8 110,6 99,5

Все посевные

площади

1091,2 1104,2 1114,2 1107,4 1111,0 1102,7

Посевные площади яровых зерновых культур в Тюменской области, тыс. га

Урожайность яровой пшеницы

в Тюменской области, ц/га

Показатель Сельскохозяйственные

предприятия

Государственные

сортоучастки

Среднее (2010-2016 гг.) 19,8 34,0

min 17,2 11,2

max 26,3 70,5

ГСУ Тюменской области:

изучено 742 сорта по 46 культурам, в том числе

-яровая пшеница - 47 сортов;

-ячмень – 23 сорта;

-овес – 17 сортов;

-горох 12 сортов.

К районированию предложено 33 сорта зерновых культур

(озимая пшеница, озимая рожь, яровая пшеница, ячмень,

овес), 9 сортов гороха.

59,60% 20,70%

15,20%

4,50%

Пшеница

Ячмень

Овес

Горох

Изучение мутационной изменчивости сельскохозяйственных растений

Этапы работы

Мутагенный фактор

Объект исследования

Научно-исследовательский

институт сельского хозяйства

Северного Зауралья

1972-1994 гг.

Гамма-лучи

(источник излучения Co60 )

Химические мутагены:

ЭИ, ДЭС, ДМС, НММ;

гамма-лучи

Яровая мягкая пшеница:

-8 сортов;

-28 гибридов (диаллельные скрещивания)

Кострец безостый, клевер луговой,

эспарцет песчаный, люцерна посевная,

озимая пшеница

Тюменский государственный

университет

1994-1996 гг.

2013-2017 гг.

Химические мутагены:

НММ, НЭМ

Химический мутаген Фосфемид

Озимая пшеница, ячмень

Яровая пшеница, озимая пшеница, яровой

ячмень, лен-долгунец

Влияние нитрозометилмочевины (НММ) и пара-аминобензойной кислоты (ПАБК ) на показателях жизнеспособности растений

Варианты

опыта

Эспарцет (Флогистон)

Амарант (к-40197)

А Б В А Б В Г

НММ 69,7 45,1 95,7 40,8 35,8 89,3 18,7±2,0

НММ+ПАБК 65,3 40,5 92,3 60,3 43,7 91,1 22,3±4,0

± - 4,4 - 4,6 - 3,4 + 19,5 + 8,7 + 1,9 + 3,6

Проблема в М1:

-снижение

всхожести семян;

-гибель проростков

и растений в период

вегетации.

А – лабораторная всхожесть семян, %; Б – полевая всхожесть семян, %;

В – выживаемость растений, %, Г - % измененных форм.

Проявление защитных свойств ПАБК зависит от особенностей генотипа, что подтверждено

выявленным нами высоким эффектом репарации при совместном действии ПАБК с НММ

на амаранте, но отсутствующим на эспарцете.

Репарагенный эффект пара-аминобензойной кислоты (ПАБК) на некоторых видах растений

Культура Мутагены (НММ, ДМС, ЭИ) Мутагены+ПАБК ±

А Б В А Б В А Б В

Клевер 72,8 18,8 43,9 77,8 23,3 50,1 +5,0* +4,5* +6,2*

Люцерна 59,5 44,4 87,2 61,3 47,3 90,4 +1,8 +2,9 +3,2*

Эспарцет 62,2 38,0 93,6 65,1 43,5 93,9 +2,9 +5,5* +0,3

Кострец 68,7 39,2 86,3 74,1 42,3 91,2 +5,4* +3,1 +4,9*

* - различия достоверны при сравнении вариантов

При комплексном применении мутагенов и ПАБК отмечено положительное влияние на

процессы прорастания семян и биологической устойчивости растений к факторам

окружающей среды и в период вегетации.

Оптимальная концентрация ПАБК 0,1%

А – лабораторная всхожесть семян, %; Б – полевая всхожесть семян, %;

В – выживаемость растений, %.

Проблема в М1:

-снижение количества и качества

семян в соцветиях при формировании

под изолятором

Биоантиоксидантные свойства ПАБК при гибридизации и самоопылении

Вид растений, образец Концентрации

растворов ПАБК, %

Способ применения ПАБК на растениях

Амарант (к-127, Ямайка; к-147, Конго; к-40197,

Таджикистан; к-64, Германия)

0,02 Опрыскивание соцветий под изолятором до

начала цветения растений

Эспарцет (Флогистон, мутанты 36, 37) 0,01

Рапс (Ратник, ЛК-850-98, ЛК-053-00, ЛК-054-00,

ВНИПТИ рапса; Magnum (Канада); Hanna (Швеция)

0,05 Опрыскивание прокастрированных соцветий

материнских форм при гибридизации

Ячмень (Aisling, Schirley, WW 8059, Швеция) 0,005

Ячмень (Aisling, Schirley, WW 8059, Швеция),

клевер (Фаленский 1)

0,005-0,006 Включение ПАБК в стандартную питательную

среду для проращивания пыльцы

1. Опрыскивание соцветий растворами ПАБК в определенных концентрациях снижает их отрицательную реакцию

на искусственную изоляцию, морфологическую депрессию и способствует увеличению количества семян, что

важно для дальнейшего отбора ценных форм.

2. Включение в стандартные питательные среды для проращивания пыльцы клевера лугового и ячменя культурного

ПАБК способствует повышению ее жизнеспособности и расширению генетической изменчивости.

Проблема:

- увеличение спектра и частоты

полезных мутаций у

сельскохозяйственных растений

Распространенные супермутагены

Новые высокоактивные химические

вещества

N-нитрозометилмочевина

N-нитрозоэтилмочевина

Этиленимин

Демитилсульфат

Диэтилсульфат

Хиральные стереоизомеры (В.В. Моргун и др., 2013)

Алкирующие агенты, топоизомеры ядов,

интеркалирующие агенты, антибиотики, аналоги

азотистых оснований (Plant mutation breeding and

biotechnology /Q.Y. Shu, B.P. Forster, H. Nakagawa

(eds.), 2012)

Фосфемид (Н.А. Боме и др., 2017,

Сельскохозяйственная биология)

ФОСФЕМИД (sin. ФОСФАЗИН) ди-(этиленимид)-пиримидил-2-амидофосфорной кислоты

Исходный материал – образцы из коллекционных фондов

Всероссийского института генетических ресурсов растений им.

Н.И. Вавилова и Института льна НАН Беларуси

Вид растения Сорт (происхождение) Концентрация

мутагена, %

Crepis cappilaris (L.) Wallr

(скерда волосовидная)

-

10-2 М; 2▪10-3 М

Triticum aestivum L.

(пшеница мягкая яровая)

Cara (Мексика), Скэнт 3 (Россия)

Cara х Скэнт 3 (F4 гибридная форма,

Россия)

0,002; 0,01

Triticum aestivum L.

(пшеница мягкая озимая)

Крошка, Гунистан, Безенчукская 1,

Россия

0,002; 0,01

Hordeum vulgare L.

(ячмень культурный)

Зерноградский 81 (Россия)

Dz 02-129 (Эфиопия)

C.J. 10995 (Перу)

0,002; 0,01

Linum usitatissium L.

(лен-долгунец)

Ярок (Беларусь)

Велижский кряж (Россия)

Ottava (Канада)

0,005; 0,01; 0,1

Химическим мутагеном

обработаны

воздушно-сухие семена.

Экспозиция 3-8 часов.

Фосфемид синтезирован

в Московском

государственном

университете имени

М.В. Ломоносова

Необходимый рабочий этап в

экспериментальном мутагенезе –

определение диапазонов

концентраций

Дифференциация объектов (лабораторный

эксперимент):

-энергия прорастания семян;

- лабораторная всхожесть семян;

- морфометрические параметры проростков

Вид растения Природный или

антропогенный

фактор

Автор

Pinus L. засуха Taeger S., 2014

Zea mays L. засуха Ma X.F., 2010

Triticum aestivum L. засуха Dai M., 2009; Khan A.S.,

2010

Triticum aestivum L. пониженные

температуры

Боме А.Я., Боме Н.А.,

2006

×Triticosecale Wittm. &

A. CAMUS

NaCl-засоление Kaydan D., Yagmur M.,

2008

Chenopodium guinoa

Willd

NaCl-засоление Ruiz-Carrasco K.,2011

Carthamus tinctorius L. NaCl-засоление

Khodadat M/, 2011

Vicia faba L. Вытяжка из сточных

вод

Srivastava R., 2005

Использование биометрических параметров

проростков для фитотестирования

Индексы ингибирования роста –

соотношение морфометрических

параметром проростков при действии

мутагена и в контроле

Контроль опыт 1 опыт 2

Cara 1 0,99 0,99

Скэнт 3 1 0,95 0,47

Cara х Скэнт 3 1 0,93 0,85

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

ИЧ

К

Индекс числа корней (ИЧК)

Контроль опыт 1 опыт 2

Cara 1 0,6 0,41

Скэнт 3 1 0,95 0,64

Cara х Скэнт 3 1 0,75 0,58

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

ИД

К

Индекс длины корней (ИДК)

Контроль опыт 1 опыт 2

Cara 1 0,6 0,41

Скэнт 3 1 0,95 0,64

Cara х Скэнт 3 1 0,75 0,58

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

ИД

П

Индекс длины побега (ИДП)

Индексы ингибирования морфологических признаков проростков под влиянием фосфемида (на

примере двух сортов и гибридной формы яровой мягкой пшеницы)

Лабораторный опыт

Наибольшее угнетение ростовых

процессов у проростков исходных форм и

гибрида отмечено при концентрации

фосфемида 0,01%

Биостанция «Озеро Кучак»

Спектр видимых мутаций

у растений яровой пшеницы и ячменя

1. Стебель

-высокорослые;

-низкорослые;

-карликовые;

-с прочной соломиной;

2. Колос

-крупноколосые ;

-с измененой формой и окраской колоса

(спельтоидный, пирамидальный, ветвистый, желтый,

черный);

-с измененой окраской остей.

3. Лист

-с широким флаговым листом;

4. Рост и развитие

-растения озимого типа;

- позднеспелые;

-раннеспелые. Концентраци

я мутагена,

%

Сорта (Cara, Скэнт 3) Гибрид (Cara х Скэнт 3)

изучено

семей, шт.

% измененных

форм

изучено

семей, шт.

% измененных

форм

Контроль 129 3,6±1,03 120 7,5±2,40

0,002 550 13,1±1,44 272 9,9±3,28

0,01 350 17,8±4,8 244 30,3±2,95

Культуры

Яровая пшеница

Озимая пшеница

Ячмень

Овес

Горох

Лекарственные растения

Цветочно-декоративные растения

Картофель

Соя

Лук многолетний

Всего

Гербарий культурных растений

Коллекция микроорганизмов 305

395

148

99

74

15

7

0 100 200 300 400 500

Россия

Европа

Азия

Северная

Америка

Южная

Америка

Африка

Австралия

Эколого-географическое происхождение

коллекционных образцов (60 стран мира, 33 субъекта РФ)

Коллекционный фонд культурных растений Института биологии Тюменского

государственного университета

Н.И. Вавилов

Благодарю Вас за внимание