Формирование зерна твёрдой пшеницы с чёрным зародышем в зависимости от генотипа и условий среды

 

Потемнение зародыша – «чёрный зародыш» встречается во всех регионах возделывания твёрдой пшеницы [1;2;3] Наличие зерна с чёрным зародышем в товарных партиях продовольственного зерна, является основной причиной появления «спексов» - тёмных вкраплений в крупке после размола зерна. Изготовленные из такой крупки макароны приобретают тёмный оттенок и теряют потребительские качества. Причины появления зерна с чёрным зародышем связывают с инфицированием его патогенами Аlternaria triticina (Pras.), Alternari atenius (Fr.), Pyrenophora tritici-repentis (Died.) Drechs.(anamorph Drechslera titici-repentis (Died) Shoemaker), Bipolarissorokiniana (Sacc.) Shoemaker и активностью пероксидазы [4;3] Вероятность физиологических причин (активность окислительных ферментов) в появлении чёрного зародыша на зерне твёрдой пшеницы меньше, чем на зерне мягкой. Абиотические факторы, высокая влажность и температура могут стимулировать развитие случайно возникшей черной точки или потемнения оболочки зерна под действием патогенов. В изолятах из поражённых частей зародыша и зерна твёрдой пшеницы чаще определяют виды Alternaria spp., чем Cochliolobus sativus (Ito Kurb) Drechs.ex Dust (anamorph Bipolaris sorokiniana (Sacc.) Shoemaker. Патогены видов Alternaria spp.при поражении зерна не снижают урожайность, массу зерновки, выполненность зерна и качество клейковины[5] Тем не менее, существуют жёсткие стандарты по наличию зерна с чёрным зародышем как в России, так и за рубежом[2;3].

Эффективными методами защиты зерна от патогенов, вызывающих развитие «чёрного зародыша», считаются обработки посевов фунгицидами в период цветения и селекция устойчивых сортов [3].

В связи с этим цель исследований заключалась в оценке влияния генотипа и условий среды (год, пункт) на формирование зерна с чёрным зародышем у твёрдой пшеницы и определения возможностей снижения его содержания методами селекции.

Материал, условия и методы исследований. Проведено два эксперимента. Первый в 2014 году выполнен в опытах организованных параллельно в 3-х экологических точках: 1) Безенчук, 2) Курган, 3) Барнаул. Четвёртой точкой в этом эксперименте был Безенчук в 2015 году. Изучение выполнено по единой методике во всех точках.Изучались следующие сорта и селекционные линии: Харьковская 46, Безенчукская 139, Безенчукская 182, Саратовская золотистая, Безенчукская степная, Безенчукская 205, Краснокутка 13, Донская элегия, Безенчукская Нива, Памяти Янченко, Безенчукская 209, Безенчукская 210, Безенчукская золотистая, Луч 25, Д2098, 98с-08, Омский изумруд, Салют Алтая, Памяти Янченко, Гордеиформе 677, Безенчукская крепость, 1389ДА-1, 1368Д-18, 1477Д-4.Второй эксперимент проведён в Безенчуке на сортах конкурсного сортоиспытания в условиях слабого проявления (2014 год) и в условиях сильного проявления чёрного зародыша (2015 год). Изучались сорта: Харьковская 46, Безенчукская 139, Безенчукская 182, Безенчукская степная, Памяти Чеховича, Марина, Безенчукская 205, Безенчукская 209, Безенчукская нива, Безенчукская 210, Безенчукская золотистая, Безенчукская крепость, 1304Д-54, 1389ДА-1, 1368Д-18, 1477Д-4, 1437Д-1, 1464Д-11, 1594Д-3.

В Безенчуке метеоусловия 2014годапериод от всходов до стеблевания (15 июня), характеризовался повышенным фоном температуры, который сменился периодом обильных осадков в третьей декаде июня и в начале июля. Вторая и третья декады июля проходили на фоне прохладной погоды при незначительном количестве осадков. В 2015 году наоборот, прохладная весна сменилась (15 июня) жаркой, засушливой погодой до периода цветения и начала формирования зерна (1 июля), когда на фоне среднемноголетних значений температуры в течение недели выпало 31,1 мм осадков.

Вектор метеоусловий по экопунктам в 2014 году изменялся с усилением стрессового воздействия высоких температур и засухи в направлении: Барнаул – Курган – Безенчук.В Кургане период от всходов до стеблевания проходил на фоне повышенной (относительно среднемноголетней) температуры, а период формирования и налива зерна в условиях обильных осадков и на фоне пониженных температурных показателей. В Барнауле наблюдался резкий переход от пониженных температур в период «всходы – трубкование» к повышенным в период «трубкование – колошение». В фазы формирования, налива и созревания зерна температура была оптимальной для твердой пшеницы. Осадки в периоды «всходы-трубкование» и «колошение – созревание» превысили среднемноголетние показатели. Сочетание этих условий сформировало в Барнауле наиболее продуктивный фон внешних условий среди экопунктов и одновременно наиболее благоприятный для развития чёрного зародыша. Посев осуществлялся нормой высева, рекомендованной для твердой пшеницы в регионе экопункта, учетная площадь делянки 10,0м2, повторность 2-3-х кратная, размещение делянок в блоках рендомизированное. Посев рядовой (15см). Посевы размещались по чистому пару. Конкурсное сортоиспытание в Безенчуке проведено на делянках 20,0м2 в пятикратной повторности. Принципы закладки опытов соответствовали общим представлениям о полевом эксперименте [6;7]. Пробы зерна для анализа отбирали с каждого повторения. Анализируемый образец включал 500 зёрен. Наличие чёрного зародыша определяли визуально, к числу зёрен с чёрным зародышем относили все зёрна с потемнением или окрашиванием в зоне зародыша независимо от интенсивности. К этой же группе относили зёрна с окрашенным (тёмным) перикарпом. Долю повреждённого зерна, выраженную в процентах, использовали для характеристики степени проявления чёрного зародыша. Для оценки достоверности влияния факторов на проявление признака применялся дисперсионный двухфакторный анализ экспериментальных блоков на основе пакета программ Agros 2. Адаптивность и стабильность признака у сортов и дифференцирующая способность фонов изучены по методике А.В.Кильчевского, Л.В.Хотылевой [8].

Результаты исследований и обсуждение. Двухфакторный дисперсионный анализ комплексов «генотип – год» в Безенчуке и «генотип – экопункт», выявил значимые эффекты генотипов, среды и их взаимодействия (табл.1, 2).

Таблица 1

Эффекты (SS), их значимость (Fкр) и доля (%) влияния генотипа, среды (год) и их взаимодействия на проявление чёрного зародыша,

Безенчук, 2014, 2015гг.

 

Факторы дисперсии	SS	Fкр	Доля в изменчивости, %
Генотип (А)	2144,9	16,0*	32,6
Год (В)	2237,1	300,1*	34,0
Взаимодействие (А*В)	1651,8	12,3*	25,1
Суммарный эффект А+АВ	3796,7		57,7
Ошибка (Z)	551,7		8,4

*значимо при Р≤0,05

Таблица 2

Эффекты (SS), их значимость (Fкр) и доля (%) влияния генотипа, среды (экопункт) и их взаимодействия на проявление чёрного зародыша по экопунктам: Безенчук, Курган, Барнаул, 2014г.

 

Факторы дисперсии	SS	Fкр	Доля в изменчивости, %
Генотип (А)	1904,0	27,4*	30,8
Экопункт, год (В)	2223,2	256,1*	36,0
Взаимодействие (А*В)	1760,7	8,5*	28,5
Суммарный эффект А+АВ	3664,7		59,4
Ошибка (Z)	286,5		4,6

*значимо при Р≤0,05

В обоих экспериментах отмечены близкие эффекты на степень развития чёрного зародыша генотипов, среды и их взаимодействия - 32,6%, 34,0%, 25,1%, соответственно в первом эксперименте и 30,8%, 36,0%, 28,5%, во втором.

Достоверность эффектов взаимодействия указывает на смену рангов сортов в средах (экопункты, годы) и необходимость учета специфической адаптивной способности (САСi) в условиях конкретных сред (экопункт, год). Суммарный эффект генотипа и взаимодействия «генотип-среда» был около 60,0% (57,7 - первый, 59,4 – второй эксперименты). Очевидно, что в данном наборе сред селекционную стратегию необходимо ориентировать как на создание системы сортов, т.е. поиск стабильных генотип-средовых взаимодействий, так и стабильно устойчивых сортов.

В связи с этим поиск, в исследуемой популяции, сортов с высокой общей адаптивной способностью (ОАСi) и селекционной ценностью (CЦГi), для формирования коллекции доноров, вполне возможен. Поскольку влияние экопунктов и условий года было значительным, можно предположить реальность формирования соответствующих фонов для отбора. Данные, полученные при анализе параметров сортов и фонов по методике А.В. Кильчевского, Л.В. Хотылевой [8], подтверждают эти предположения (табл.3,4).

Увеличение абсолютных значений рассматриваемого признака характеризует рост восприимчивости сортов к факторам «чёрного зародыша», поэтому параметры общей адаптивности сортов (ОАСi) и селекционной ценности генотипа (СЦГi) при их увеличении характеризуют сорт негативно, при уменьшении – положительно.

Таблица 3

Параметры адаптивности и стабильности генотипов по признаку устойчивости к факторам «чёрного зародыша», полученные в средах: Безенчук 2014, 2015гг., Курган, Барнаул, 2014г.

Генотип	U+Vi	Vi	σ2(G*E)gi	σCACi	lgi	Sgi	CЦГi	Kgi
		(OACi)
Харьковская 46	4,9	-1,23	4,7	16,7	0,017	342,0	3,0	6,03
Безенчукская 139	4,3	-1,85	1,05	18,0	0,0032	423,6	2,2	0,84
Безенчукская 182	3,6	-2,48	4,7	20,4	0,011	563,0	1,3	1,08
Саратовская золотистая	13,4	7,28	101,6	8,8	1,304	66,0	12,4	0,20
Безенчукская степная	4,0	-2,10	6,1	23,3	0,011	583,7	1,3	1,41
Безенчукская 205	6,8	0,65	3,9	19,3	0,011	286,5	4,5	0,97
Краснокутка 13	4,0	-2,10	2,1	19,6	0,006	489,7	1,8	0,99
Донская элегия	3,5	-2,60	24,0	27,1	0,033	775,4	0,4	1,90
Безенчукская нива	6,9	0,78	5,2	19,6	0,013	285,7	4,6	1,00
Безенчукская 209	6,4	0,28	4,5	18,1	0,014	283,3	4,3	0,84
Безенчукская 210	8,5	2,40	0,2	19,5	0,001	229,0	6,3	0,98
Безенчукская золотистая	12,0	5,90	21,9	16,6	0,080	138,2	10,1	0,71
Луч 25	3,3	-2,85	13,0	24,6	0,021	756,6	0,4	1,56
Д2098	6,4	0,28	3,3	17,4	0,011	272,5	4,4	0,78
98с-08	8,3	2,15	3,8	16,7	0,014	202,5	6,3	0,72
Ом.изумруд	3,9	-2,23	12,7	24,8	0,021	641,2	1,0	1,59
Гордеиформе 677	3,5	-2,60	2,4	22,0	0,005	628,9	1,0	1,25
Безенчукская крепость	10,5	4,40	7,2	16,7	0,026	158,7	8,6	0,72
1389да-1	5,3	-0,85	2,9	22,2	0,006	423,6	2,7	1,28
1368д-18	12,6	6,53	50,5	11,0	0,417	87,1	11,4	0,31
1477д-4	6,0	-0,10	16,0	25,5	0,025	425,0	3,1	1,68
Салют Алтая	3,8	-2,35	15,4	24,9	0,025	663,5	0,9	1,60
Солнечная 573	3,8	-2,35	10,8	23,5	0,020	626,9	1,1	1,43
Памяти Янченко	2,3	-3,85	15,2	25,1	0,024	1114,0	-0,6	1,62

 

Вся совокупность сортов по ОАСi распределяется на три группы: 1) устойчивые (значения ОАСi = 2,3-3,9) сюда вошли в основном сорта сибирской селекции Памяти Янченко, Солнечное 573, Салют Алтая, Гордеиформе 677 (Алтайский НИИСХ), Омский изумруд (СИБНИИСХОЗ), Луч 25 (НИИСХ Юго-Востока), Донская элегия (Донской НИИСХ), Безенчукская 182 (Самарский НИИСХ); 2) среднеустойчивые (значения ОАСi = 4,0-6,9) сорта Безенчукская степная, Безенчукская 139, Безенчукская 209, Безенчукская 205, Безенчукская нива, 1389ДА-1, 1477Д-4 (Самарский НИИСХ), Краснокутка 13 (Краснокутская СС), Д2098 (НИИСХ Юго-Востока); 3) восприимчивые (значения ОАСi = 8,3-13,4) сорта 98с-08, Саратовская золотистая (НИИСХ Юго-Востока), Безенчукская 210, Безенчукская крепость, Безенчукская золотистая, 1368Д-18 (Самарский НИИСХ).

Большинство сортов с низким и средним уровнем чёрного зародыша (1,2 группы по ОАСi) отличаются высокими значениями специфической адаптивной способности (САСi) и низким уровнем стабильности признака (Sgi), что можно объяснить значительным снижением уровня развития чёрного зародыша у этих сортов в средах со слабым давлением инфекционного начала.

Возможными донорами устойчивости зерна к патогенам, вызывающим почернение зародыша могут стать сорта с высокими значениями интегрального параметра - СЦГi. В эту группу включены: Памяти Янченко, Салют Алтая, Солнечное 573, Гордеиформе 677, Омский изумруд, Луч 25, Донская элегия.

Максимальная выраженность признака (развитие инфекции) по средам (экопункт, год) наблюдалась в Барнауле (табл.4). Этот же пункт отличался наибольшими значениями типичности среды (tk) и предсказуемости среды (Pk)

Таблица 4

Дифференцирующая способность среды Барнаул, 2014г., Безенчук 2014г., Курган 2014г., Безенчук 2015г., как фона для отбора

 

Среда	u+dk	dk	σ2(G*E)ek	σДССk	tk	Pk	Sek		Kek
Барнаул 2014	11,7	5,6	182,8	8,47	1,92	1,39		72,4	7,37
Безенчук 2014	2,6	-3,5	36,7	3,09	0,43	0,51		118,8	0,98
Курган 2014	6,0	-0,1	24,5	3,71	0,98	0,61		61,8	1,41
Безенчук 2015	4,2	-1,9	41,6	1,66	0,69	0,27		39,4	0,28

 

Высокий уровень дифференцирующей способности среды в Барнауле (Sek) и сильный эффект компенсации взаимодействия среды и генотипов (Kek), позволяет отнести этот фон к анализирующим и наиболее эффективным для проведения отборов устойчивых к развитию чёрного зародыша зерна сортов твёрдой пшеницы. Остальные фоны больше соответствуют стабилизирующим фонам. Максимальная дифференцирующая способность среды в Безенчуке (2014г.) нивелируется низкими параметрами типичности и предсказуемости среды и уровнем общего фона.

Высокозначимые генотипические коэффициенты корреляции между наличием «черного зародыша» и продолжительностью вегетации (периоды «колошение – восковая спелость», «всходы-восковая спелость») в условиях сильного проявления признака (Барнаул, 2014г, Безенчук, 2015г.), отчетливо демонстрируют зависимость восприимчивости к факторам, вызывающим развитие чёрного зародыша (патогенам), от длительности периодов цветения, формирования и налива зерна. Отсутствие значимых корреляций между исследуемым признаком и массой 1000 зерен, предполагает наличие уязвимой стадии у сортов с длительным периодом колошение-восковая спелость. Значимые положительные корреляции признака «чёрный зародыш» с содержанием каротиноидов, предварительно, можно объяснить восприимчивостью первоначального донора большинства генотипов с высоким содержанием пигментов в зерне – сорта «Саратовская золотистая». Практически все исследованные сорта с высоким содержанием каротиноидов имеют длительный период созревания. Коэффициенты корреляции между содержанием каротиноидов и продолжительностью периода «колошение-восковая спелость» были значимы на 1,0% уровне и варьировали в пределах 0,53-0,55 значений.

Таблица 5

Генотипические коэффициенты корреляции между содержанием чёрного зародыша в зерне, параметрами вегетационного периода, массой 1000 зёрен и содержанием каротиноидов в зерне

 

Признаки	Признаки
	Содержание каротиноидов	Масса 1000 зерен	Продожительность периода:
Содержание чёрного зародыша:			всходы- колошение	колошение- восковая спелость	всходы- восковая спелость
Барнаул, 2014г.	0,63**	-	-0,15	0,72**	0,43*
Безенчук, 2014г	0,46*	-0,15	-0,13	0,26	0,29
Курган, 2014г	0,52*	-0,16	-0,01	-	-
Безенчук, 2015г.	0,43*	0,15	-0,06	0,50*	0,51**

 

Возможно это связано с антиоксидантными и протекторными свойствами каротиноидов в отношении хлорофилла, что задерживает старение (усыхание) клеток эндосперма и увеличивает этим период развития патогенов. Тем не менее, создание сортов устойчивых к патогенам, вызывающим чёрный зародыш и с высоким содержанием каротиноидов возможно. Таким сортом является Гордеиформе 677 селекции Алтайского НИИСХ, который отнесён к группе устойчивых генотипов в исследуемом наборе сортов. В селекционных питомниках и в сортоиспытании Самарского НИИСХ изучаются рекомбинантные генотипы, ведущие родословную от Саратовской золотистой, с содержанием каротиноидов, достигающим или превышающим уровень лучших по этому признаку сортов. Эти генотипы идентифицированы в год (2015) с максимальным содержанием в урожае зерна с чёрным зародышем. Их исследование будет продолжено, в том числе с применением наиболее эффективного для отбора устойчивых форм фона в Барнауле.

Выводы. Проявление чёрного зародыша на зерне яровой твердой пшеницы зависит от эффектов генотипа (30,8-32,6%), среды (34,0-36,0%) и их взаимодействия (25,1-28,5%). Поскольку суммарный эффект генотипа и генотип-средовых взаимодействий составляет 57,7-59,4% от величины общей дисперсии, селекция на устойчивость к патогенам, вызывающим развитие чёрного зародыша может быть эффективной как при создании сортов локального значения, так и стабильных по устойчивости в широком диапозоне агроэкологических условий. Источниками устойчивости к «патогенам чёрного зародыша» являются сорта: Памяти Янченко, Салют Алтая, Солнечное 573, Гордеиформе 677, Омский изумруд, Луч 25, Донская элегия. Наиболее эффективный фон для отбора формируют условия среды в Барнауле (Алтайский НИИСХ).

 

Литература:

1. Fernandes M.R. Black Point and red smudge in irrigeted durum wheat in southern Saskatchewan in 1990-1992 / Fernandes M.R., Clarke J.M., DePauw R.M., Irvin R.W. and Knox R.E. // Can.J.Plant Patol.- 1994.-16: pp. 221-227.
2. Васильчук, Н.С. Селекция яровой твердой пшеницы / Н.С.Васильчук // Саратов, 2001. 124с .
3. Fernandes M.R. Black Point and Smudge in Wheat / Fernandes M.R. and Conner R.Z. //Praire Soils & Crop Jornals / 2011. – Vlume 4.- pp.159-164.
4. Williamson P.M.Black point of wheat^ in production of symptoms, enzymes involved, and association with Alternaria alternata // Australian Journal of Agricultural Research.- 1996.-v.48/-1/-pp.13-18.
5. Крупнова, О.В. Влияние черного зародыша на качество зерна яровой мягкой пшеницы в Поволжье / О.В.Крупнова, С.Н.Сибикеев, В.А.Крупнов, Г.Ю.Антонов //Стратегия адаптивной селекции полевых культур в связи с глобальным изменением климата.- Сб.научн.тр.по матер.междунар.научн.-практ.конф.-Саратов.-2004.-с.153-155.
6. Методика Государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. М.-1971.-Вывп.1.-248с.
7.                     Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.-1985.-336с.
8. Кильчевский А.В., Хотылева Л.В. Экологическая селекция растений // Минск: Тэхналогiя.- 1997. 372 с.