Екогенетична мінливість пшениці озимої при дії гамма-променів

Abstract

У дисертаційній роботі обґрунтовано можливості використання екогенетичної мінливості пшениці озимої під впливом гамма-променів для підвищення біорізноманіття її агроценозів на базі місцевих ресурсів з метою отримання стабільно функціонуючих високопродуктивних та якісних систем виробництва зерна. Виконано порівняння можливостей використання як вихідного матеріалу місцевих форм з ресурсами іншого еколого-географічного походження. Встановлено закономірності та шляхи застосування гамма-променів як екогенетичного чинника. Метою роботи було дослідити еколого-генетичні основи створення високопродуктивних, якісних та стабільних агроценозів пшениці озимої шляхом підвищення біорізноманіття через індукцію гамма-променями на базі місцевого (локального) сортового матеріалу. За результатами наукових досліджень на різних рівнях організації агроценозів зернових культур вперше показано зв’язок між мінливістю на рівні клітини та результатами для рослинного організму загалом з позиції мінливості за ознаками; визначено особливості депресії для сортів місцевої (локальної) селекції з метою встановлення можливості їх використання як вихідних форм при дії гамма-променів; встановлено доцільність використання місцевих сортових ресурсів для підвищення штучного біорізноманіття за параметрами загальної мінливості та стабільності в межах мутаційного процесу; визначено особливості створення нових рослинних форм залежно від модельних ознак та генотипових особливостей; досліджено в порівнянні місцевий та провідний європейський матеріал з позиції формування стабільних високопродуктивних та якісних агроценозів озимих зернових культур в умовах зміни клімату; встановлено ключові ознаки, що піддаються поліпшенню через мутаційній процес під впливом гамма-променів; визначено механізми формування основних господарськоцінних ознак пшениці м’якої та особливості зміни в реалізації при мутаційних процесах; удосконалено метод моніторингу мутагенної активності шляхом визначення хромосомних аберацій, моделювання мутагенної депресії в першому поколінні при дії неспецифічних генетично-активних чинників, методи застосування гамма-променів для отримання перспективних корисних форм з успадкуванням здобутих змін, способи підвищення формотворчого процесу в разі використання місцевого матеріалу; набули подальшого розвитку методики використання помірних доз гамма-променів залежно від генотипу вихідної форми, способи оцінювання ефективності застосування фізичних мутагенів у контексті адекватного вихідного матеріалу, методи оцінки продуктивності та якості зерна пшениці озимої. На основі здобутих результатів досліджень встановлено ефективність використання місцевих форм як вихідного матеріалу для індукції штучного біорізноманіття під впливом гамма-променів. Показано ефективність використання чинника в помірних дозах, підвищення ефективності прогнозування наслідків штучного мутаційного процесу в системі генотип-мутаген. Моніторинговими параметрами за ступенем мутагенної депресії у першому поколінні рослин сортів, що отримали мутагенну дію, були: показники онтогенезу рослин (схожість, віддалена загибель), фертильність-стерильність пилку та окремі елементи структури врожайності (висота рослин, маса зерна з головного колоса, маса зерна з рослини, маса тисячі зерен). Генотиповою особливістю місцевих сортів виявилася досить висока чутливість до дії гамма-променів. Відповідно це показник їх фундаментальної особливості за дії гамма-променями (для отримання високого рівня мутаційної активності в майбутньому та позначає можливий високий рівень мутабільності за частотою та спектром подальших змін. Ці генотипи є перспективними за проявом депресії в першому поколінні. Важливими параметрами мінливості на рівні клітинного апарату є загальна частота хромосомних аберацій, частота мостів, частота комплексних перебудов. Співвідношення фрагментів до мостів відповідає стандартним закономірностям, що властиві для гамма-променів. Використання місцевого матеріалу як вихідного для мутаційного поліпшення ефективне з огляду на отримання високоінтенсивних низькорослих та напівкарликових форм, з довгим озерненим головним колосом та восковою поволокою. Ідентифіковані ключові ознаки – як з огляду на оцінку ефективності мутаційного процесу в популяціях зернових культур, так і для створення нових форм з поліпшеними якостями. Високу ймовірність змін при широкому діапазоні доз можливо отримати за дії на ключові для архітектури рослини ознаки. Ключовими ознаками мутаційної мінливості пшениці озимої з огляду на коректну оцінку популяції, що отримала дію гамма-променями, були висота стебла, наявність воскової поволоки, строки стиглості. Інші варіанти змін корисних ознак є середньо- та низькоймовірними. Для мутаційного процесу модельними є такі показники, як високе стебло, низьке стебло, напівкарлик, інтенсивна воскова поволока, слаба воскова поволока, остистий колос, безостий колос, довгий колос, крупний колос, стерильність, пізньостиглість, ранньостиглість, кущистість, продуктивність, спельтоїдний колос. Рівень мінливості є більш надійним та комплексним показником для оцінки ефективності поєднання генотипу вихідного матеріалу та дози гамма-променів. На основі випробування матеріалу виділено нові вихідні форми із сортів іноземної селекції, що в перспективі здатні утворювати високопродуктивні та якісні агроценози; виокремлено ознаки, вплив на які є ефективним через мутаційний процес у програмах з поліпшення для регіонального використання; ідентифіковано також ознаки, подальше поліпшення/наявність яких не є необхідним в умовах зміни клімату. Оптимальним для підвищення зернової продуктивності та якості є використання доз гамма-променів у діапазоні 100– 150 Гр, але успішність і в цьому випадку залежить від якості вихідного матеріалу. Отримано врожайні мутантні лінії пшениці м’якої озимої з високими або задовільними якостями зерна, які можна застосувати як вихідний матеріал для індукції біорізноманіття або безпосередньо як базис для створення нових стабільних високопродуктивних агроценозів з більш повноцінними харчовими та технологічними якостями, що здатні забезпечувати необхідний рівень споживання при зниженні антропогенного тиску. Сорти Gallixe, Ghayta, Courtiot, Співанка є найбільш перспективними як для використання при формуванні сталих високопродуктивних та якісних агроценозів пшениці озимої в умовах півночі Степу України, так і як вихідні форми. Частково (за окремими параметрами для поліпшення) заслуговують на увагу сорти Комерційна, Geo, Gallixe та Renan. За комплексом врожайних та якісних ознак можна рекомендувати лінії 123, 152, 179, 181, 262, частково лінії 179 та 213. Усі лінії, крім 213, належать до інтенсивного типу. Мутаційний процес з огляду на підвищення зернової продуктивності є ефективним через вплив на такі ознаки, як висота рослини, маса зерна з колоса, маса зерна з рослини, співвідношення складових компонентів запасних білків зерна. У зв’язку зі змінами локальних кліматичних умов такі ознаки, як ранньостиглість та зимостійкість не надають необхідних переваг з позиції реалізації продуктивного потенціалу агроценозів озимих зернових і не вимагають наявності / подальшого поліпшення. Dissertation is devoted to the possibilities of using ecogenetic variability under the influence of gamma-rays to increase the biodiversity of winter wheat agrocenoses on the basis of local resources to obtain stable high-grain-productive and high-quality systems. Regularities and ways of using-gamma rays as an ecogenetic factor are established. The aim of the work was to investigate the ecological and genetic bases of creating high-productive and quality stable agrocenoses of winter wheat by increasing biodiversity through gamma-rays induction based on regional (local) varieties material. According to the results of scientific research at different levels of the organization of agrocenoses of cereals for the first time showed the relationship between variability at the cellular level and the consequences for the plant organism as a whole in terms of variability in characteristics; determined traits of depression for varieties of regional (local) breeding for the possibility of their use as source forms under the action of gamma rays; establishing the prospects for the use of local resources to increase artificial biodiversity in terms of total variability and stability in the mutation process; identified features of the emergence of new plant forms depending on model traits and genotypic features; the comparison of local and leading European material from the point of view of formation of stable high-yielding and high-quality agrocenoses of winter grain in the conditions of climate change is investigated; inserted key parameters that can be improved due to the mutation process for gamma rays; the mechanisms of formation of the basic economic and valuable traits of bread wheat and features of change in realization at mutational processes are defined; improved method of monitoring mutagenic activity by determining chromosomal aberrations, modeling mutagenic depression in the first generation under the influence of non-specific genetically active factors, methods of using gamma-rays to obtain promising useful forms with inherited changes, ways to improve the formation process using local material; received further development of methods for using moderate doses of gamma-rays depending on the genotype of the original form, methods for evaluating the effectiveness of physical mutagens in the context of adequate source material, methods for assessing productivity and grain quality of winter wheat. Based on the results obtained during the research, the effectiveness of local forms as a source material for the induction of artificial biodiversity through the action of gamma-rays has been established. The effectiveness of the factor in moderate doses is shown. Increase the efficiency of predicting the consequences of the artificial mutation process in the genotype-mutagen system. Monitoring parameters for the degree of mutagenic depression in the first generation of plants of mutant varieties were: indicators of plant ontogenesis (germination, survaival), pollen fertility and individual elements of yield structure a, plant height, head weight, grain weight from the plant, the weight of thousands of grains). The genotypic feature of local varieties was quite sensitive to gamma-rays. Accordingly, this is an indicator of their fundamental feature when exposed to gamma rays to obtain a high level of mutational activity in the future and indicates a possible high level of mutability promising for the manifestation of depression in the first generation. Significant parameters of variability at the level of the cellular apparatus are the total frequency of chromosomal aberrations, the frequency of bridges, the frequency of complex rearrangements. The ratio of fragments to bridges corresponds to the standard laws inherent in gamma-rays. The use of local material as a source for mutational improvement is effective given the production of high-intensity low-growing and semi-dwarf forms, with a long lake spike, and wax coating. Key traits have been identified both in terms of assessing the effectiveness of the mutation process in cereal populations and to create new forms with improved qualities. A high probability of change at a wide range of doses can be expected to be obtained by acting on key features for the architecture of the plant. The key parameters in the mutational variability of winter wheat, given the correct assessment of the population exposed to gamma-rays were signs of the height of the stem presence of wax coating, maturity. Other variants of changes in useful traits are medium and low probability. For the mutation process, the following base indicators are model: high stem, low stem, semi-dwarf, intense wax coating, weak wax coating, spiny ear, awnless spike, long ear, large ear, sterility, late ripening, earlyness, bushy products, bushiness. The level of variability is a more reliable and comprehensive indicator for assessing the effectiveness of combining the genotype of the source material and the dose of gamma rays. Based on material testing, new source forms from varieties of foreign selection that are able to form high-yielding and high-quality agrocenoses in the future have been identified. which are not necessary in the context of climate change. Optimal to increase grain productivity and quality is the use of doses of gamma rays in the range of 100–150 Gy, but the success in this case also depends on the quality of the source material. Yielding mutant lines of bread winter wheat with high or satisfactory grain qualities have been obtained, which can be used as a starting material for biodiversity induction, or directly as a basis for new stable high-yielding agrocenoses for more complete nutritional and technological qualities capable of providing the required level of consumption. when reducing anthropogenic pressure. Varieties Gallixe, Ghayta, Courtiot, Spivanka are the most promising for use in the formation of sustainable high-yielding and high-quality agrocenoses of winter wheat in the north steppe of Ukraine and as source forms. Partly (according to certain parameters for improvement) varieties Commerciyna Geo, Gallixe and Renan deserve for attention. Lines 123, 152, 179, 181, 262, partially lines 179 and 213 can be recommended for the complex of yield and quality characteristics. All lines except 213 belong to the intensive type. The mutation process due to the increase in grain productivity is effective due to the impact on such traits as plant height, weight of grain from the main spike, weight of grain from the plant, the ratio of the constituent components of grain storage proteins. Due to changes in local climatic conditions, such traits as earliness and winter resistance do not provide the necessary advantages in terms of realizing the productive potential of winter cereal agrocenoses and do not require availability/further improvement.