Капуста - объект, на котором глубоко проработан ряд теоретических вопросов по селекции на гетерозис, в первую очередь явление физиологической самонесовместимости и генетическое его обоснование. В последнее время большое внимание уделяется практической разработке эффективных методов получения гибридных семян с цитоплазматической

мужской стерильностью. В тоже время двухлетний цикл развития растений удлиняет селекционный процесс и осложняет размножение родительских линий. С другой стороны на трудоемкость селекционного процесса оказывает влияние вероятность ксеногамного опыления растений.

В мировом семеноводстве капусты известно несколько способов получения гибридных семян:

межсортовая гибридизация;

использование материнских форм с маркерными признаками;

получение и гибридизация инбредных самонесовместимых линий;

цитоплазматическая мужская стерильность.

Долгое время получение F1 гибридов капусты было основано на свободном переопылении сортов. Практическое использование этого метода имеет значительные недостатки из-за неоднородности потомства, так как доля гибридных растений при свободном переопылении в потомстве составляет 50-60%. Поэтому в гибридизацию стали включать сорта с маркерными признаками. Например, использовали в селекции сорт, отличительной особенностью которого являются блестящие светло-зеленые листья без воскового налета, характерного для обычных сортов. Маячным признаком может быть любой признак, но он должен быть рециссивным, легко отличимым. Негибридные растения, легко обнаруживаются при выборке рассады и на общий участок не высаживаются.

Распространенным способом получения гибридных семян является гибридизация самонесовместимых инбредных линий. В 1932 г. Пирсон (Pearson O.H.) предложил использовать для получения гибридных семян метод инцухта с последующим скрещиванием самостерильных инцухт-линий. Эта схема не нашла применения вследствие большой трудоемкости (требовалось ручное опыление). В дальнейшем, по мере изучения генетики самонесовместимости, Одлендом и Ноллом (Odland M.L., Noll C.J.) из США была предложена 4-х линейная схема получения гибридных семян исключающая ручное опыление, так как растения материнской линии, как и межлинейные гибриды самосовместимы. Одленд и Нолл предложили использовать в селекционной работе две самонесовместимые инцухт-линии, полученные из одного сорта, но способные к взаимному переопылению. Две другие инцухт-линии получают из другого сорта, также взаимно совместимы. Межлинейные гибриды от каждых двух сестринских линий должны быть перекрестно совместимы. Для того чтобы получить простые гибриды капусты на двух пространственно изолированных участках высаживают попарно сестринские линии. Полученные простые гибриды, например X и Y высаживают на одном участке для свободного переопыления и получают гибридные семена.

Предложенная схема имела важный недостаток, в ней отсутствовала предварительная оценка комбинационной способности самоопыленных линий.

Большая работа по устранению этого методического недостатка была проведена в Японии на селекционной станции Таки (TAKII). В результате проведенных исследований в 1967 г. Ниши (T. Nishi, 1967) была опубликована схема создания 4-х линейных гибридов при попарном скрещивании изогенных линий, которая включала в себя испытание комбинационной способности линий в системе диаллельных скрещиваний. Процесс создания гибридных сортов по предложенной схеме на основе самонесовместимости материнских линий длится более 10 поколений и разделяется на 8 этапов. Использование этой схемы в селекционной работе выявило один существенный недостаток - выделение гетерозигот в селекционном материале предусматривается в 4-6-м поколении инбридинга, где их бывает около 1,6-6,3%.

В России использовали генетическую схему выведения самонесовместимых линий и получения 4-х линейных гибридов предложенную А.В. Крючковым в 1976 г. Схема состоит из 6 этапов, предусматривает выделение гетерозигот и получение от них семян для дальнейшей работы в каждом поколении инбридинга, вследствие чего они составляют 50% селекционного материала. На основе этой схемы создано и внесено в Государственный реестр селекционных достижений более 20 F1гибридов капусты белокочанной.

Недостатком четырехлинейной схемы является значительная сложность селекционного процесса и возможность получения семян F2, что не способствует защите авторских прав от недобросовестных производителей, с чем пришлось столкнуться оригинаторам в последние годы. При этом наряду с экономическими потерями оригинаторы несут и огромный моральный ущерб, так как в F2 наблюдается сильное расщепление по хозяйственным признакам и идет дискредитация отечественных F1 гибридов в глазах производителей товарной капусты.

Двухлинейная схема проста в генетико-селекционной работе, однако до последнего времени не давала возможности получения гибридных семян в больших количествах вследствие низкой производительности при размножении родительских линий.

Проведенные исследования сотрудниками РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева по изучению выявления способов ингибирования фенотипического проявления действия аллелей гена самонесовместимости является обработка рыльцев пестика открытых цветков раствором хлорида натрия. Воздействие хлорида натрия на рыльце пестика снижает образование каллозы и тем самым увеличивает прорастание пыльцы при самоопылении цветков. Было установлено, что обработка цветков инбредных линий белокочанной капусты раствором хлорида натрия за 20-30 минут до опыления существенно снижает проявление самонесовместимости.

Максимальная завязываемость семян отмечена при использовании хлорида натрия в концентрации 3,0-3,5% (Г.Ф. Монахос, А.Ю. Куленкамп, Абдул Хамид, 2000).

При использовании самонесовместимости вследствие модифицирующего влияния на фенотипическое проявление S-аллелей ряда внешних факторов, в партиях гибридных семян почти всегда присутствует определенная доля сибсовых, которые завязываются от самоопыления или переопыления растений внутри одной линии. Поэтому необходимы многочисленные проверки качества последних, что существенно повышает стоимость гибридных семян и снижает морфологическую и биологическую однородность. Так, по ОСТу 10 248-2000 допускается наличие в семенах F1 гибридов семян родительских линий не более 5%. Такое количество сибсовых семян в партиях F1 гибридов делает отечественные гибриды недостаточно конкурентными в сравнении с зарубежными, впервую очередь - голландской селекции.

3. Явление цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС)

Общий механизм ЦМС

Цитоплазматическая мужская стерильность проявляется во взаимодействии ядерного генома с митохондрионом. Митохондрии и пластиды как органеллы, ведущие своё происхождение от эндосимбионтных прокариотических микроорганизмов, имеют свой уникальный геном, и хотя в процессе эволюции эукариотической клетки они потеряли большую часть своей автономности и утратили большинство генов, часть важныхбелков ещё кодируются под контролем генов митохондрий и пластид. Митохондрии и пластиды также имеют рабочий белоксинтезирующий аппарат. Цитоплазматическая мужская стерильность возникает в результате определённой мутации в митохондрионе, в результате чего происходит дегенерация андроцея растения, проявляющаяся либо в дегенерации пыльников, либо в нераскрытии пыльников, либо в образовании нежизнеспособной пыльцы. Генотипы с диким типом митохондрий обозначаются N либо Cyt^N (т.е. нормальный тип цитоплазмы), генотипы с мутантным митохондрионом обозначаются как S либо Cyt^S (т.е. стерильная цитоплазма). В ядерном геноме клетки растений также имеются особые гены-восстановители фертильности (англ. restorer of fertility или Rf-гены), доминантные аллели которых полностью либо частично восстанавливают фертильность андроцея. Только генотипы, имеющие мутантный митохондрион и являющиеся рецессивными гомозиготами поRf-генам, являются стерильными (Cyt^Srfrf), все остальные генотипы являются фертильными.

4. Селекция F1 гибридов капусты белокочанной на основе ЦМС

Использование при семеноводстве F1 гибридов материнских форм с цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) исключает самоопыление и наличие сибсов в партиях гибридных семян.

Мужская стерильность встречается почти у 140 видов высших растений и связана с аномальным развитием пыльников (нераскрываемость пыльника или абортация пыльцы на различных стадиях микроспорогенеза (Бунин, 1994). Причиной возникновения ЦМС являются мутации в митохондриальной ДНК (mт-DNА), которые передаются потомству при семенном размножении растений материнской линии.

После открытия специфических доминантных геноввосстановителей фертильности (Rf-генов) стало возможным коммерческое использование ЦМС-линий в качестве материнских родительских форм таких важных сельскохозяйственных растений как кукуруза, сорго, рис, подсолнечник.

У растительных видов Вгаssicaceae L. (также как у лука,

свеклы и моркови), наблюдается более сложное наследование МС, что до недавнего времени отражалось на эффективности ее использования в гетерозисной селекции. Фенотипическое проявление мужской стерильности у капустных растений чаще обусловлено взаимодействием цитоплазмы с генами ядра, находящимися в гомозиготном состоянии, то есть, по существу, относится к ядерно-цитоплазматической мужской стерильности. Поэтому, в отличие, например, от кукурузы, это требует создания специальных линий - закрепителей стерильности, что усложняет селекционно-семеноводческий процесс. Вместе с тем, у овощных крестоцветных культур таких видов как В. о1егасеа, В. саmpestris, R sativus, нет необходимости в восстановлении фертильности, так как у этих растений используют в пищу вегетативные органы.

Среди растительного разнообразия видов Вгаssica L. форма с ядерно-цитоплазматической МС была впервые обнаружена Оgura (1968) у неидентифицированного сорта японского подвида редьки - дайкона. Цветки у растений этой формы имеют ряд морфологических особенностей: мелкие бутоны, петелькообразный или выступающий из бутона пестик, отмирание первых бутонов на соцветии и т.п. Дегенерация пыльцы у таких МС-растений дайкона происходит в стадии микроспорогенеза и связана с ранним коллапсом ткани тапетума. Данный тип стерильности индуцируется при взаимодействии стерильной цитоплазмы S (оgи) с гомозиготным рецессивным ядерным геном msms (rfog rfog) (Бунин, 1994).

В России попытки использования мужской стерильности предпринимались в ТСХА и во ВНИИССОКе. В ТСХА З.Г. Аверченкова в начале семидесятых годов обнаружила в сорте Амагер611 несколько растений с ядерноцитоплазматической мужской стерильностью (Аверченкова, 1968). Этот тип мужской стерильности не удалось использовать в практической селекции, так как не были получены закрепители стерильности. И.М. Колесников (ВНИИССОК) интродуцировал из Чехии андростерильные линии брокколи.

По фенотипическому проявлению мужской стерильности эти линии, вероятнее всего, обладали оgи-ЦМС. Попытки использования этих линий непосредственно в селекционном процессе не увенчались успехом из-за их недостатков: отсутствие лепестков у цветков, отмирание бутонов при неблагоприятных условиях и т.д.

Таким образом, продолжительное время получение гибридов капусты на базе мужской стерильности было весьма проблематичным.

Тип ЯЦМС, по мнению А.В. Крючкова (1974) имеет еще ряд недостатков:

1) сложно поддерживать линию ЯЦМС в гомозиготном по большинству генов состоянии, так как закрепитель стерильности может быть с другим генотипом и как следствие гибриды F1 окажутся невыровненными;

2) при семеноводстве линий и гибридов семена собираются только со стерильной линии и их выход значительно снижается.

Доноры ЦМС у кочанной капусты были не найдены. В 1988 году М.С. Бунин интродуцировал форму дайкона с мужской стерильностью из Японии в Россию. Гибридологический анализ показал, что андростерильность у него контролируется взаимодействием между рецессивным ядерным геном в гомозиготном состоянии msms и стерильной цитоплазмой (S), то есть соответствует оgи-ЦМС.

В настоящее время имеется несколько систем ЦМС у масличных крестоцветных культур. Широкое использование в селекционных программах по созданию гибридов масличного рапса получила роlima-ЦМС, которая была идентифицирована как спонтанная мутация в польском сорте рапса.

Закрепители стерильности найдены в рапсе, генвосстановитель фертильности был выделен в сорте рапса Italу и в Вг. jиnсеа. На базе polima-ЦМС созданы и зарегистрированы F1 гибриды ярового рапса: в Китае - Qui - Yong, в Канаде - Hyola 401, в Европе - Hybridol. Система jun - ЦМС (В. jиnсеа) является по сравнению с polima-системой более стабильной, и на ее основе у индийской горчицы и масличного рапса были получены гибриды F1 с частично восстановленной мужской фертильностью.

Систему nар-ЦМС, идентифированную Тоmрsоn (1976) и Shiga (1976) у В. парus, используют редко в гетерозисной селекции масличного рапса из-за нестабильности МС в интервале температур от 20 до 26°С.

Система саm-ЦМС (В. саmpestris) была идентифицирована как достаточно близкая к nар-системе с соответствующими недостатками при использовании в селекции гетерозисных гибридов.

Система nigrа-ЦМС. Получена переносом генома В. napus и В. о1егасеа в цитоплазму В. nigrа. Обладает высокой стабильностью в В. о1егасеа и низкой в В. nigra. При этой системе пыльники видоизменены в лепестки (петалоидная стерильность - рр):

мужская стерильность (b) рр (b - цитоплазма В. nigra);

закрепитель стерильности (с) рр (с - цитоплазма

В. найдены в кормовой и кочанной капусте;

восстановитель фертильности (с) РР, найдены в кормовой и кочанной капусте.

Система tоuг-ЦМС. Создана на основе В. tourneforii. Использована при создании первых гибридов В. junсеа.

Система muг-ЦМС. Найдена после переноса ядра В. nаpus в цитоплазму Diplotaxis muralis. Передана в турнепс и рапс. Проявление стабильное, но отсутствует закрепитель стерильности.

В последние годы в ряде стран (Голландия, Дания, Бельгия, Франция, Япония) успешно проводятся селекционные работы по использованию форм капусты с ЦМС.

В России в РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева на Селекционной станции им.Н. Н. Тимофеева продолжены начатые ранее работы по отысканию и использованию форм капусты с ЦМС В результате проведенных работ создан гибрид среднепоздней капусты Фаворит с использованием ЦМС. Установлена высокая эффективность метода отдаленной гибридизации при передаче ЦМС из рапса (B. napus) в капуступекинскую (B. pekinensis).

5. Схема селекции капусты белокочанной на основе ЦМС