Гибридизация, как метод селекции

 

Гибридизация – это скрещивание особей, различающихся одним или несколькими наследственно обусловленными признаками. Гибридизация бывает естественной (спонтанной) и искусственной (экспериментальной).

Естественная гибридизация подразделяется на аллопатрическую (скрещиваются особи двух дифференцированных видов в зоне контактов их ареалов, например, лиственница сибирская и даурскач, ель сибирская и европейская), симпатрическую (скрещивание особей двух генетически обособленных видов в пределах одной географической области, например, осины и тополя белого) и интрогрессивную (особый вид гибридизации, при которой происходят возвратные скрещивания спонтанных межвидовых гибридов с исходными родительскими видами, обнаружена среди видов дуба, ивы, тополя). Различают также внутривидовую, межродовую и межсемейственную гибридизацию. Скрещивание особей различных форм и сортов, принадлежащих к одному виду, называется внутривидовой гибридизацией. Скрещивание особей принадлежащих к разным видам одного рода, разным родам и разным семействам, называют отдаленной межвидовой, межродовой и межсемейственной гибридизацией.

Гибридизация нашла широкое применение при интродукции лесообразующих видов в лесные культуры и в создании лесосеменной базы лесного хозяйства. Она используется для разработки новых и совершенствования имеющихся методов отбора высокопродуктивных и устойчивых форм древесных растений, выведения и размножения сортов. Гибридизация и селекция лесных древесных пород составляют основу для реализации в практике лесного хозяйства программ сохранения биологического разнообразия растительного мира, и повышения продуктивности лесов России.

Гибридизацию нельзя рассматривать как простое арифметическое суммирование признаков и свойств растений. Родительские организмы передают потомству не признаки, а гены, на основе которых в каждом поколении гибридов признаки, контролируемые этими генами, развиваются вновь. Гибридизация используется в качестве способа изучения наследования, получившего название гибридологического метода генетического анализа. Этот метод позволяет на основе системы скрещиваний в ряду поколений анализировать закономерности наследования отдельных признаков и свойств, а также обнаруживать наследственные изменения организмов при половом размножении

Гибридизация, как метод селекции, включает комплекс приемов, направленных на получение гибридных растений с изменением наследственности и использованием ее для выведения новых сортов. Создавая гибридизацией нужный исходный материал, удается значительно ускорить ход селекционного процесса. Последовательным скрещиванием наследственно расщепляющихся родительских форм селекционеры создают новые формы растений. Выведение новых сортов, в которых с помощью гибридизации достигается сочетание хозяйственно ценных свойств большого количества родительских форм названо

синтетической селекцией. Гибридизацию относят к категории комбинативной селекции, так как основной целью при этом является получение потомства с новой совокупностью генетически обусловленных признаков и свойств. Последующим отбором и направленным воспитанием гибридного потомства новые ценные признаки и свойства закрепляются и усиливаются.

Содержание и порядок работы по селекции методом гибридизации:

Цель работы и разработка модели (образа) будущего гибрида;

Изучение генетического потенциала (наследственности) исходного материала;

Подбор родительских пар;

Подбор и хранение пыльцы;

Подготовка женских цветков к опылению (кастрация и изоляция);

Проведение опыления (техника скрещивания);

Наблюдение за развитием гибридных семян и уход за материнскими растениями;

Сбор гибридных семян и выращивание гибридного потомства;

Отбор лучших гибридных форм и выделение из них отдельных растений (кандидатов в сорта) для сравнительного испытания на сортоиспытательных участках;

Разработка методов массового размножения нового сорта для производства.

Типы скрещиваний применяемые в гибридизации можно представить такой схемой см. рисунок 1.

Простыми скрещиваниями называют однократные скрещивания между двумя родительскими формами. Если родительские виды или сорта обозначить буквами, то этот тип скрещивания можно изобразить как А х Б или В х Г и т.д., после которых в гибридном потомстве проводится отбор элитных растений и оценка их потомства. При простых скрещиваниях гибриды получаются на основе комбинаций генов материнской и отцовской форм. Простые парные скрещивания имеют большое значение при внутривидовой гибридизации.

 

Типы скрещиваний

 

Простые                                                              Сложные

 

 

Парные   Диаллельные           Множественные      Возвратные       

 

 

Реципрокные                             Ступенчатые           Конвергентные

                                                                   

 

Межгибридные

 

 

Рисунок 2 – Типы скрещиваний

Диаллельные скрещивания – каждая испытываемая линия, форма или сорт скрещивается со всеми другими линиями или сортами во всех возможных комбинациях. Например, А х Б, А х В, А х Г, А х Д, А х Е и т.д. Число всех возможных комбинаций при длительных скрещиваниях может быть очень большим и будет возрастать по мере увеличения количества исходных линий, форм или сортов. Диаллельные скрещивания можно применять в работе с древесными растениями с целью изучения варьирования признаков в гибридном потомстве, а также определения отобранных по фенотипу деревьев на проявление хозяйственно ценного признака в гибридном потомстве.

Реципрокными скрещиваниями называются скрещивания растений, при которых каждый из двух сортов или видов в одном случае является материнской формой, во втором - отцовской. Например, скрещивание осуществленное по схеме А х Б и Б х А. Первое скрещивание А х Б называют прямым, второе Б х А - обратным. Реципрокные скрещивания важны при отдаленной гибридизации, так как часто успех работы решается удачным подбором отцовских и материнских видов.

Сложными скрещиваниями называют скрещивания, когда в гибридизацию вовлекается более двух родительских форм или когда гибридное потомство повторно скрещивается с одним из родителей.

Сложные скрещивания имеют в селекционной практике значительно большее значение, чем простые.

Множественные скрещивания, или поликкроссы, - это такие скрещивания, когда материнские растения опыляются смесью пыльцы нескольких видов и сортов.

Основные условия успешного применения метода множественных скрещиваний: растения должны быть многолетними, самостерильными, обладать способностью к клонированию и иметь одинаковые сроки цветения. Таким условиям могут удовлетворять многие древесные породы.

Возвратные скрещивания, или беккроссы, - скрещивания при которых гибрид повторно скрещивается с одной из родительских форм. Этот тип скрещиваний широко применяется в селекционной практике. Он используется в тех случаях, когда у ценных по комплексу признаков сортов имеется дефект, который желательно устранить. Тогда новый сорт стал бы совершеннее, расширились бы возможности его практического использования. При проведении возвратных скрещиваний селекционная цель достигается достаточно быстро.

Насыщающие и конвергентные скрещивания - повторные возвратные скрещивания. Этот метод часто применяется при выведении сортов устойчивых к болезням. При насыщающих скрещиваниях признаки и свойства одного из родителей почти или полностью вытесняются за исключением немногих генов. Вследствие этого среди потомства легче найти желаемую комбинацию признаков.

Ступенчатые скрещивания – полученный от простого скрещивания гибрид повторно скрещивается не с родительской формой, а с третьим сортом или видом растений, затем с четвертым и т.д. При ступенчатых скрещиваниях создается

 

гибридный материал, включающий наследственные свойства нескольких сортов, или видов растений.

Межгибридными называют такие скрещивания, при которых объединение наследственности нескольких родителей осуществляют не последовательно, как при ступенчатой гибридизации, а параллельно после предварительного получения простых гибридов и последующего их скрещивания.

Конечная цель по гибридизации лесных древесных растений – получение гибридных семян.

Существует несколько способов получения гибридных семян, Гибридные семена древесных растений получают от скрещивания на растущих деревьях, а также на срезанных ветвях.

Непосредственное скрещивание на растущих деревьях процесс очень трудоемкий и ему должно предшествовать построение вокруг дерева стационарной элементарной вышки с рабочими площадками в средней и верхней части кроны, необходимо также устроить лестницы для подъема на рабочую площадку. Для пригибания ветвей с женскими цветками нужны палки с крючками на конце и веревки для закрепления пригнутой ветви.

Для ветроопыляемых растений применяют изоляторы из плотной бумаги или полиэтилена, а для насекомоопыляемых можно применять марлевые мешочки.

 

Рисунок 3 – Изолятор из пергаментной бумаги

 

Рисунок 4 – Кастрация обоеполых цветков

 

После изоляции и кастрации цветков, опыление осуществляют в период самого благоприятного для данной породы восприятия рыльцем пестика. Пыльца

может наносится разными способами: 1) пыльцу можно внести в изолятор путем распыливания шприцем, но после прокола пакета и проведения опыления его обязательно заклеивают; 2) нанесение пыльцы ватным тампоном или препаровальной иглой с насаженным на конце кусочком пробки или обыкновенной резинки. Наносят пыльцу таким образом: предварительно изолятор или снимают или раскрывают, а иглу или тампон осторожно опускают в пыльцу, излишки пыльцы аккуратно стряхивают обратно в пробирку. Затем тампон или иглу подносят к цветку и легко прикасаются к нему, при этом надо убедиться, что пыльца осталась на рыльце пестика. После опыления пакеты закрывают или надевают и обязательно отмечают этикеткой, которая была на нем до этого. Чаще при опылении пород с мелкими рыльцами применяют препаровальные иглы с кусочком пробки, а для пород с крупными рыльцами (орех) применяют ватные тампоны.

В каждом конкретном случае ведется учет изолированных, опыленных цветков и количество образовавшихся завязей.

После окончания цветения, изолятор необходимо снять, чтобы он не препятствовал нормальному развитию плодов. После снятия изоляторов,

вата, которая окружала основание веточки, оставляется, чтобы гибридные плоды были хорошо видны на дереве. Еще лучше в целях сохранения гибридных плодов, изолировать их марлевыми мешочками, тогда потеря ценного селекционного материала сводится до минимума.

Все результаты по учету образовавшихся завязей вносятся в «Журнал скрещиваний».

Итоги гибридизации подводятся после проведения всех работ и записывают в виде ведомости.

При проведении гибридизации необходимо помнить, что гибридные плоды (особенно у дуба) часто подвергаются нападению вредителей, поэтому необходимо предпринимать все меры предотвращающие это нежелательное явление. В этом плане желательно надеть марлевые мешочки, которые позволят сохранить полностью образовавшиеся завязи и предотвратить повреждение вредителями.

После созревания плодов, их собирают в те же марлевые мешочки с обязательным навешиванием этикетки сверху, а для верности желательно во внутрь поместить бумажную этикетку. В таком виде гибриды доставляются в лабораторию для проведения необходимых исследований по их качеству и для последующего выращивания гибридного потомства.

Скрещивание на растущих деревьях – процесс очень трудоемкий и дорогостоящий. Однако некоторые древесные породы имеют мелкие семена

для своего созревания не требуют большого количества питательных веществ и поэтому скрещивание таких пород можно проводить на ветвях, отделенных от материнских растений.

Преимущество скрещивания на срезанных ветвях:

- опыление может быть проведено задолго до того времени, когда данные виды цветут в природе; - для работы нет необходимости подниматься высоко в крону;

- сроки цветения разных видов могут быть подогнаны к одному времени; - ход опыления и результаты легко контролируются; - процесс опыления в лаборатории более продуктивный;

- опыление на срезанных ветвях позволяет ослаблять влияние материнских растений на гибридное потомство и усиливает развитие отцовских признаков, поэтому селекционер при подборе пар к скрещиванию должен эти обстоятельства учитывать.

Скрещивать на срезанных ветвях можно: ивы, тополя, ильмовые. Возможен он и для берез, но семена их созревают более длительное время и поэтому получить зрелые семена труднее, чем у ив и тополей.

Заготовка ветвей ведется с женских и мужских деревьев, до их распускания, поэтому маточные деревья, отобранные для скрещивания, намечают заблаговременно. Если намеченный для скрещивания вид отсутствует на месте проведения гибридизации, то он может быть выписан из других мест. В том случае, если материнские и отцовские деревья не отмечены заблаговременно, то они могут быть различимы по следующим признакам: одновозрастные деревья с тычиночными цветками обычно крупнее, чем с женскими, ветви их толще, кроны шире. Женские деревья имеют более тонкие ветви, более ажурные кроны в безлиственном состоянии. Цветочные почки у мужских экземпляров крупные и округлые. У женских они мельче, имеют заостренную форму и почти не отличаются от листовых. При раздавливании цветочной почки мужского экземпляра образуется как бы икристая масса, состоящая из еще недоразвитых пыльников. У женских экземпляров пыльников нет и при раздавливании цветочных почек икристости не наблюдается.

Каждая заготовленная ветвь должна быть снабжена этикеткой, на которой указывается: 1) название породы, 2) порядковый номер, 3) географическое положение, 4) возраст, 5) пол (для двудомных видов), 6) дата заготовки ветви.

Ветви для скрещивания заготавливают в средней части кроны, длина их должна быть от 75 до 150 см и толщиной не менее 10 мм.

Заготовление ветви ставят в сосуды с обыкновенной отстоянной водопроводной или колодезной водой, а лучше всего для этих целей приготовить специальный питательный раствор из азотнокислого кальция – 1,0 г, фосфорокислого калия – 0,25 г, сернокислого магния – 0,25 г, хлористого калия – 0,124 г, хлорного железа – следы – 0,02 г. Указанное количество солей дано в расчете на 1 л воды. Использование питательных растворов позволяет улучшить качество гибридных семян.

В сосуд на 3-6 л можно поместить 4-5 ветвей, в ведрах помещается 10 ветвей. Перед опусканием в раствор нижние срезы освежают острым секатором или садовым ножом и лучше эту операцию проводить под водой.

Сосуды с водой помещают в помещение с температурой 18-200С и желательно хорошо освещенной. Влажность воздуха в помещении должна находиться на уровне 60-70%. На женских ветвях оставляют по 3-4 цветочной и столько же листовых почек, остальные удаляют. Излишек как тех, так и других

 

почек приводит к истощению ветвей и преждевременному осыпанию коробочек и соответственно к не вызреванию семян.

Мужские ветви должны в это время находиться в другом помещении, чтобы избежать нежелательного переопыления. На мужских ветвях можно оставлять все цветочные и листовые почки. Если же скрещивание проводится

очень ранние сроки (февраль-начало марта), то часть листовых и цветочных почек надо удалять.

В тепличных и комнатных условиях, при соблюдении необходимых условий, почки распускаются через несколько дней. Срок распускания прежде всего будет зависеть от времени срезания ветви. Чем ближе к срокам зацветания в природе, тем скорее будет наблюдаться распускание в помещении и наоборот. Существенное влияние на распускание почек оказывает температура и освещение. Если возникает необходимость задержать развитие почек, то в этом случае сосуды с ветвями выносят на несколько дней на холод и темноту, температура при этом должна быть порядка +2…+3 0С.

Заготовку пыльцы следует проводить заранее, для чего мужские ветви выставляют в темноту на несколько дней раньше, чем женские.

Пыльца должна быть жизнеспособна, поэтому ее проращивают. Наносят пыльцу на рыльце пестиков, когда они сформировались, мягкой кисточкой пробки на препаровальной игле. Эту операцию необходимо проводить во время, если рыльца делаются подвядшими, суховатыми, значит срок опыления упущен.

Если опыление проведено своевременно, то рыльца начинают подсыхать, а завязи разрастаются. Если после опыления этого не наблюдается, то необходимо повторить опыление, используя ту же пыльцу. На опыленную ветвь навешивают этикетку с порядковым номером, под которым и проводятся все записи в «Журнале скрещиваний».

Вода в сосудах должна быть свежая, поэтому ее периодически меняют через каждые 3-5 дней с начала цветения и до созревания плодов. При смене воды срезы подновляют под водой. Скрещивание на срезанных ветвях позволяет получить гибридные семена к весеннему посеву и в течение одного года вырастить гибридные сеянцы.

связи с длительным периодом смены поколений у древесных растений, а также для преодоления нескрещиваемости необходимо правильно подбирать родительские пары с учетом многочисленных экспериментальных данных по скрещиванию данной породы, с целью обеспечения в первом поколении гибрида с желательной комбинацией хозяйственно ценных признаков. При этом комбинация признаков должна быть не только экономически выгодна, но и обладать экологической устойчивостью и возрастной стабильностью их проявления.

При подборе исходных родительских пар необходимо:

1) в качестве материнского растения надо брать здоровые, хорошо развитые растения, т.к. они более полно передают свои признаки потомству, чем отцовские;

2) если селекционер желает ослабить влияние материнского растения на гибридное потомство, то его надо брать впервые цветущим;

3) местные формы и виды, данным И.В. Мичурина более приспособлены к местным условиям существования и поэтому обладают большей способностью передавать свои признаки потомству;

4) такой же способностью обладают дикие формы в сравнении с культурными формами;

5) родительские пары должны выбираться из географически отдаленных районов, или из экологически неоднородных местообитаний;

6) при подборе родительских пар надо учитывать филогенетическую отдаленность и отдавать предпочтение видам, стоящим в систематическом отношении далеко один от другого;

7) при подборе родительских пар надо учитывать скрещиваемость видов, родов и т.д.

Выращивать гибридные растения следует с одновременным испытанием гибридного потомства. Подбор площадей под сев, выбор схемы посева и наблюдения за появлением всходов, ростом и развитием гибридных растений, оценка, отбор и выбраковка гибридных семян и отдельных растений должны быть подчинены конечной цели работы и проводиться при постоянном сравнении с контролем. Прежде всего, необходимо сравнивать поведение растений, выращенных из семян от свободного опыления, с вариантами искусственного опыления. В связи с этим опыты по гибридизации следует ставить в нескольких повторностях и гибридное потомство выращивать также в достаточных количествах (повторностях). Некоторые селекционеры рекомендуют все проводить в четырех повторностях и более, однако во всех случаях следует рассчитывать достоверность опыта.

Таким образом, испытание в гибридных популяциях следует вести по частной методике применительно к биологии данной породы и в соответствии с задачами, поставленными перед селекционерами промышленностью.