Биофортификация пшеницы в условиях узбекистана и создание устойчивых к желтой ржавчине сортов

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В современных условиях в мире растет дефицит зерна пшеницы, и перед человечеством вновь возникает острая проблема продовольственного кризиса. Годовое производство зерна пшеницы в среднем составляет около 600 млн. тонн, к 2020 году потребность достигнет уровня 840 млн. - 1 млдр. тонн. Удовлетворение данной потребности - довольно сложная задача при учете уменьшения посевных площадей в мире и достижении предельного уровня урожайности пшеницы в большинстве развитых стран. Одна из основных причин недобора урожая - болезни растений, вызываемые воздушно-капельной инфекцией. Ржавчинные болезни зерновых культур, особенно пшеницы, являются наиболее вредоносными и опасными для растений во многих частях мира, снижающими урожай зерновых культур. На зерновых культурах паразитируют пять видов ржавчинных грибов, из которых в Узбекистане встречается в основном два - возбудители желтой (полосатой) и бурой (листовой) ржавчины. Наиболее ощутимый вред посевам пшеницы - основной продовольственной культуры - наносят в основном желтая (Puccinia striiformis) и бурая (Puccinia recondita) ржавчины. Ржавчинные заболевания, способны быстро распространяться на большие площади и причинять вред урожаю. Кардинальным средством борьбы с данным заболеванием является возделывание устойчивых сортов. Селекция на устойчивость к ржавчине проводится беспрерывно, поскольку постоянно появляются новые расы, вирулентные к устойчивым сортам. Чем больше рас возбудителя вовлекается в селекционную работу при создании сорта, тем больше шансов дольше сохранить устойчивость сорта к ржавчине. Создание и внедрение в производство высокоурожайных, устойчивых к биотическим и абиотическим факторам среды сортов пшеницы - одна из актуальных задач селекционеров и производителей зерна при обеспечении продовольственной безопасности растущего населения Земного шара. В настоящее время, наряду с повышением производства зерна, возникает необходимость в создании сортов пшеницы с высокими показателями качества муки и обогащенных микроэлементами, важными для здоровья человека. Известно, что эти микроэлементы играют существенную роль в обмене веществ человека и их дефицит приводит к физиологическим нарушениям, сопровождающимся различными заболеваниями. Биофортификация - обогащение биологическим путем основных продовольственных культур микроэлементами, важными для здоровья человека, обеспечит сельскохозяйственных производителей такими сортами пшеницы, которые благодаря высокому содержанию необходимых микроэлементов будут способствовать уменьшению ряда заболеваний, связанных с дефицитом жизненно важных компонентов питания. Обогащение зерна питательными веществами и микроэлементами предполагает прежде всего поиск генотипов с повышенным содержанием в данном случае микроэлементов железа и цинка для последующих селекционных и биотехнологических манипуляций с целью передачи этого признака в культивируемые сорта. В связи с этим изучение местных стародавних сортов и генколлекции пшеницы в целях поиска генотипов имеет огромное значение для решения проблемы биофортификации сортов пшеницы, выращиваемых в условиях Узбекистана. Востребованность выполнения научно-исследовательских работ в рамках данной диссертации вытекает из задач, поставленных в постановлениях Кабинета Министров Республики Узбекистан «О мерах по улучшению селекции и семеноводства зерновых колосовых культур» от 29 декабря 1994 г., в законе Республики Узбекистан «О защите сельскохозяйственных растений от вредителей, болезней и сорняков» от 31.08.2000 г. №116-П, постановлении Президента Республики Узбекистан «О мерах по реализации проекта “Национальная программа по фортификации муки» от 11 августа 2005 года N ПП-153. Целью исследований является создание адаптированных к местным условиям и устойчивых к ржавчинным болезням сортов пшеницы с улучшенными хлебопекарными качествами, а также сбор и определение стародавних местных сортов в целях биофортификации муки. Научная новизна исследовании заключается в следующем: впервые в Узбекистане методом электрофореза (в ПААГ) проанализированы запасные белки зерен сортов местной селекции пшеницы, возделываемых в республике. Составлен полиморфизм глиадина у зерновок, что позволило выделить биотипы из полиморфных местных сортов пшеницы по электрофоретическим спектрам; на основе полученных гибридов создан новый сорт пшеницы «Пахлавой», адаптированный к местным условиям; на искусственно созданном инфекционном фоне к желтой ржавчине проведен скрининг сортообразцов мировой коллекции и отобраны устойчивые линии к желтой ржавчине, на основе которых создан новый сорт Бардош, внедренный в производство; выявлены внутрипопуляционная структура возбудителя желтой ржавчины пшеницы Puccinia striiformis West.sp.tritici в Узбекистане с использованием сортов-дифференциаторов и патотипный состав гриба, отобраны доноры устойчивости к желтой ржавчине, имеющие неспецифическую устойчивость, контроль за которой осуществляется несколькими генами с малым эффектом. Выявлен возможности использования стародавних местных сортов в биофортификации пшениц. выводы 1. Описан полиморфизм по электрофоретическим спектрам глиадина культурных видов диплоидной пшеницы вида Triticum топососсит и у шести местных сортов гексаплоидной пшеницы Triticum aestivum возделываемых в Узбекистане. Выделены биотипы по глиадиновым спектрам и сравнительно изучены хозяйственно-полезные признаки выявленных генотипов. 2. Методом внутривидовой гибридизации с последующим индивидуальным отбором выделен высокоурожайный сорт мягкой пшеницы с хорошими хлебопекарными качествами, который после испытания на конкурсном сортоиспытании передан в ГСИ под названием «Пахлавой». 3. Выявлена нестабильность проявления генов устойчивости пшеницы к поражению желтой ржавчиной, что связано с природой изменчивости патогена. Мониторинг пшеничных полей, а также оценка сортов-дифференциаторов на искусственном инфекционном фоне показали, что многие сорта, ранее устойчивые к желтой ржавчине, становились восприимчивыми после эпифитотийных лет. Это объясняются тем, что в узбекистанских популяциях патогена происходила мутация в постэпифитотийные годы. 4. Многие перспективные сорта и линии в своих генотипах имеют гены восприимчивости и в случае эпифитотии они могут сильно поражаться со значительными потерями урожая. Выявлено, что большинство сортов поражается расами, вирулентными к генам устойчивости Yr2, Yr7 и Yr9. Изучение 80 образцов из регионального питомника ЦАЗ показало, что многие сорта, хотя и отличаются по крупности зерен и озерненности колоса, но не обладают устойчивостью к местным расам желтой ржавчины. 5. Анализ большого количества гибридных комбинаций и их родителей на искусственно созданном инфекционном фоне показал, что признак устойчивости является сложным признаком и не всегда наследуется моногенно. Выявлено полигенное наследование признака устойчивости с малыми генами. 6. При использовании устойчивых форм как материнской формы устойчивость наследуется как рецессивный признак с одним или двумя рецессивными генами, при использовании в качестве отцовской формы признак устойчивости может наследоваться как доминантный признак с одним доминантным или двумя комплементарными генами. 7. На основе полученных данных отобран сорт мягкой пшеницы «Бардош», устойчивый к желтой ржавчине, с хорошими хлебопекарными качествами, который с 2015 года районируется в зерносеющих областях республики. 8. Используя прибор GPS-навигации, определены основные места возделывания и площадь посева стародавних местных сортов пшеницы в отдаленных регионах республики. По результатам этих исследований и многочисленным опросам местного населения созданы карты распространения и Каталог стародавних сортов, возделываемых в Узбекистане. 9. Морфологическим анализом этих сортов по колосьям и по зернам выявлено, что многие собранные нами стародавние сорта пшеницы относятся к разновидностям Graecum с белым колосом и белым зерном и Erithrospermum с белым колосом и красным зерном, хотя среди них есть красноколосые формы, относящиеся к разновидностям Ferrugineum, а также как примесь встречаются компактные формы, относящиеся к виду Т. compactum L. 10. Создан специальный питомник местных стародавных сортов пшениц Узбекистана, который имеет большоезначение в создании новых местных сортов пшеницы с улучшенными хлебопекарными качествами. Сбор, изучение и возделывание стародавних сортов Узбекистана позволяют сохранить генофонд пшеницы в естественных условиях. Среди них имеются сорта с высокими хлебопекарными качествами. Важно, что этот признак у выявленных сортов генетически детерминирован и позволит использовать стародавние сорта в качестве доноров высокого качества в селекционном процессе. Практические рекомендации и внедрение результатов в производство 1. В результате исследований созданы и внедрены в производство сорт мягкой пшеницы «Бардош», устойчивый к ржавчинным болезням, и сорт «Пахлавон», высокоурожайный, пластичный с хорошими хлебопекарными качествами. 2. Сорт «Бардош» с 2015 года районируется по некоторым регионам республики, сорт «Пахлавон» с 2014 года признан перспективным и внесен в Госреестр. 3. Созданный питомник стародавних сортов пшеницы рекомендуется использовать как исходной материал для селекции при создании новых сортов, а выделенные нами образцы могут использоваться для биофортификации муки пшениц в условиях Узбекистана.