Схема полных диаллельных скрещиваний шести родительских форм

Тема: «Генетический анализ в лесной селекции. Комбинационная способность»

 

Вопросы.

1. Проблемы генетического анализа в лесной селекции и понятие о комбинационной способности.

2. Испытательные культуры как средство проведения генетического анализа в лесной селекции.

3. Сравнительные испытания семенных потомств в ранних фазах онтогенеза.

4. Общая комбинационная способность.

5. Специфическая комбинационная способность.

6. Расчет показателей комбинационной способности методами дисперсионного анализа.

 

Ключевые слова:

комбинационная способность, общая комбинационная способность, специфическая комбинационная способность, топкросс, поликросс, диаллельные скрещивания, гибриды, дисперсия, варианса, дисперсионный анализ, сибсы, полусибсы, испытательные культуры.

 

 

Распределение бюджета рабочего времени

Форма проведения занятий – аудиторные занятия, лекция.

Бюджет времени – 6 часа.

Количество двухчасовых занятий – 3.

Распределение бюджета времени:

- 2 часа: рассмотрение проблем генетического анализа в лесной селекции;

- 2 часа: рассмотрение теоретических основ создания и изучения испытательных культур;

- 2 часа: рассмотрение алгоритмов вычисления показателей комбинационной способности методами дисперсионного анализа.

 

Литература

1. Гужов Ю.Л., Фукс А., Валичек П. Селекция и семеноводство культурных растений. – М.: Агропромиздат,1991. – 463 с. – (Учебники и учеб. Пособия для студентов высш. Учеб. Заведений).

2. Рокицкий П.Ф. Введение в статистическую генетику. Минск: Вышейшая школа, 1978. – 448 с. Бессчетнов В.П., Кентбаев Е.Ж., Бессчетнова Н.Н, Кентбаева Б.А. Лесная селекция / В.П. Бессчетнов, Е.Ж. Кентбаев, Н.Н Бессчетнова, Б.А Кентбаева. - Учебник для студентов лесохозяйственных специальностей. Гриф Республиканского учебно-методического совета Республики Казахстан. – Алматы: Нур-Принт, 2015. – 358 с.

3. Бессчетнова Н.Н. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Селекционный потенциал плюсовых деревьев / Н.Н. Бессчетнова. – Saarbrücken: Lap Lambert Academic Publishing GmbH & co. KG. ISBN 978-3-8443-5608-3, 2011 – 402 c.

4. Бессчетнова Н.Н., В.П. Бессчетнов. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Морфометрия и физиология хвои плюсовых деревьев / Н.Н. Бессчетнова, В.П. Бессчетнов. Монография. – Нижний Новгород: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 2014. – 368 с.

5. Бессчетнова Н.Н. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Репродуктивный потенциал плюсовых деревьев / Н.Н. Бессчетнова. Монография. – Нижний Новгород: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 2015. – 586 с.

6.  Бессчетнова Н.Н. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Эффективность отбора плюсовых деревьев / Н.Н. Бессчетнова. Монография. – Нижний Новгород: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 2016. – 382 с.

7. Бессчетнов В.П. Полиморфизм казахстанских популяций облепихи крушиновидной (Hippophae rhamnoides L.) по хозяйственным и адаптивным признакам. Дис. док. биол. наук. Алматы, 1994. – 543 с.

8. Турбин Н.В., Тарутина Л.А., Хотылева Л.В. Результаты экспериментальной проверки математических моделей определения комбинационной способности. – Изв. АН БССР, сер биол., № 1, 1965.

9. Турбин Н.В., Тарутина Л.А., Хотылева Л.В. Сравнительная оценка методов анализа комбинационной способности у растений. – «Генетика», т. 2, № 8, 1966.

10. Турбин Н.В., Хотылева Л.В., Тарутина Л.А. Диалельный анализ в селекции растений. Минск, 1964.

11. Хотылева Л.В., Тарутина Л.А. Изучение комбинационной ценности самоопыленых линий кукурузы в диалельных скрещиваниях. – Сб. «Генетика гетерозиса». Минск, 1964.

12. Хотылева Л.В., Тарутина Л.А. Оценка наследуемости количественных признаков в популяции кукурузы на основе диаллельных скрещиваний. – Сб. «Вопросы математической генетики». – Минск, 1969.

13. Кедров-Зихман О.О. Поликросстест в селекции растений. Минск, 1974.

14. Гальперн И.Л. Использование генетико-математического анализа в селекционной работе с птицей бройлерных линий. – Докл. ВАСХНИЛ, № 5, 1973.

15. Котов М.М. Генетика и селекция. Часть 1.: Учебник для вузов. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 1997. – 280 с.

16. Любавская А.Я. Лесная селекция и генетика. Учебник для вузов. – М.: Лесная промышленность, 1982. – 288 с.

17. Айала, Ф.Дж. Введение в популяционную и эволюционную генетику / Ф.Дж. Айала / М.: Мир, 1984. – 232 с.

18. Айала, Ф.Дж. Современная генетика / Ф.Дж. Айала, Дж.А. Кайгер /. – В 3-х т. Т. 2. Пер с англ. – М.: Мир, 1988. – 368 с.

19. Гуляев, Г.В. и др. Словарь терминов по генетике, цитологии, селекции, семеноводству и семеноведению /Г.В. Гуляев, В.В. Мальченко. – М.: Россельхозиздат, 1975. – 216 с.

20. Бессчетнова, Н.Н. К вопросу об оценке общей комбинационной способности плюсовых деревьев сосны обыкновенной /Н.Н. Бессчетнова //Вестник московского государственного университета леса – Лесной вестник, № 6. – 2008. – С. 4 – 12.

21. Бессчетнова, Н.Н. Оценка общей комбинационной способности плюсовых деревьев сосны обыкновенной в Нижегородской области /Н.Н. Бессчетнова //Вестник московского государственного университета леса – Лесной вестник, № 4. – 2009. – С. 4 – 10.

22. Бессчетнова, Н.Н. Поликросс-тест в определении оценок общей комбинационной способности сосны обыкновенной /Н.Н. Бессчетнова // Актуальные проблемы лесного комплекса / Под общей редакцией Е.А. Памфилова. // Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 22. – Брянск: БГИТА, 2009. – С. 10 – 14.

23. Бессчетнова, Н.Н. Оценка эффективности отбора плюсовых деревьев сосны обыкновенной в испытательных культурах в Нижегородской области /Н.Н. Бессчетнова //Вестник московского государственного университета леса – Лесной вестник, № 2. – 2009. – С. 31 – 36.

24. Царев, А.П. Селекция и репродукция лесных древесных пород: Учебник/ Под ред. А. П. Царева/ А.П. Царев, С.П. Погиба, В.В. Тренин// Учебник. – М.: Логос, 2003. – 520 с.: ил.

25. Бессчетнова, Н.Н. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Селекционный потенциал плюсовых деревьев / Н.Н. Бессчетнова. – LAP Lambert Academic Publishing, 2011 – 402 с.

26. Бессчетнов, В.П. Дисперсионный анализ многоуровневых иерархических комплексов. Методические указания для студентов и аспирантов очного и заочного отделений факультета лесного хозяйства по специальности 25020165 - лесное хозяйство / В.П. Бессчетнов, Н.Н. Бессчетнова, О.Ю. Храмова, А.Н. Орнатский, Н.И. Горелов. – Нижний Новгород: Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 2012. – 33 с.

 

Асинхронно-синхронная связь с преподавателем:

1. Бессчетнов Владимир Петрович: E-mail: lesfak@bk.ru

Мобильный телефон: 8-906-355-81-97.

2. Бессчетнова Наталья Николаевна: E-mail: besschetnova1966@mail.ru

Мобильный телефон: 8-960-160-54-32.

 

1. Проблемы генетического анализа в лесной селекции и понятие о комбинационной способности

 

В лесной селекции проблема выбора наилучших селекционных объектов, отобранных по фенотипу (например, плюсовых деревьев), стоит особенно остро. Она (проблема), прежде всего, инициируется тем, что лесничества и уполномоченные в установленном порядке учреждения и организации в соответствии с действующими нормативами (Указания…, 2000), отбор плюсовых деревьев, ведут по фенотипу, а использовать в дальнейшем селекционном процессе или в хозяйственном плане намереваются лучшие генотипы (элитные деревья). Цель отбора – отбор лучших генотипов. Это предусматривает реализацию такой формы отбора, как индивидуальный отбор. Он (индивидуальный отбор) в лесной селекции воплощается в сравнительную оценку семенных (а иногда еще и вегетативных) потомств разных плюсовых деревьев, отобранных по фенотипу. Такая оценка получается в результате анализа роста и состояния исследуемых семенных потомств плюсовых деревьев в испытательных культурах.

 

Методологической основой оценки селекционного эффекта в отборе по фенотипу плюсовых деревьев выступают работы отечественных (Серебровский, 1970; Роне, 1980а, б; Петров, 1984; 1987; 1989; Пирагс, 1985; Ефимов, 1991, 1998, 2000; Котов, 1997; Ткаченко, 2000; Царев, 2001; 2003; 2006; 2013; 2014) и зарубежных (Larsen, 1937, 1947; 1956; Stern, 1953; 1960; 1972a, b; Langner, 1955; 1958) специалистов.

 

Теоретической предпосылкой организации такого анализа выделенных по фенотипу объектов (плюсовых деревьев) выступает представление о том, что в сходных условиях произрастания потомство родителя с «лучшими» генотипическими (генетическими) характеристиками будет (должно быть) лучше, чем потомство или потомства особи или особей с «худшими» генотипическими характеристиками (Царев и др., 2005, стр. 184). Если установленные в ходе таких сравнительных испытаний преимущества одного родителя над другими будут подтверждены статистически, то их (преимущества) можно считать обусловленными генотипически. На основании таких теоретических представлений строят программы определения генетической ценности объектов, выделенных по фенотипу, в частности плюсовых деревьев. Основным содержанием таких программ выступает ранжирование отобранных фенотипов по их генетическим качествам и ценности (Царев и др., 2005, стр. 184).

 

Подавляющее большинство видов деревьев и кустарников относятся к перекрестно опыляемым или аллогамным видам. Несмотря на то, что практически все они к тому же не является абсолютными аллогамными видами (строгими перекрестно опылителями), у которых отсутствует самоопыление, они формируют аллогамные популяции в полном смысле этого слова. Особи таких популяций произошли от родительских организмов (отцовского и материнского растений), не идентичных по своим генотипам, и по этой причине сами популяции характеризуются сравнительно высокой степенью гетерозиготности. Проявление признаков таких растений определяется не только собственно генетическим эффектом – действием аддитивных генов или аддитивным эффектом, но и неаддитивными эффектами или эффектами межаллельного взаимодействия (доминирование и сверхдоминирование). Поскольку неаддитивные эффекты связаны с гетерозиготным состоянием, то для сохранения их положительного (в селекционном отношении) влияния, следует обеспечивать сохранение у отобранных объектов высокого уровня гетерозиготности (Гужов др., 1991, стр. 152). В противовес этому проявление аддитивного эффекта не связано с тем, в каком из двух возможных состояний: гетерозиготном или гомозиготном находится генотип рассматриваемого объекта.

 

Вместе с тем признается (Гужов др., 1991, стр. 152), что продуктивность (в том числе и темпы прироста по запасу древесины или урожайность орехов, смолопродуктивность или количество технического ивового прута, накопление салициловой кислоты в коре ивы или дубильных веществ в коре дуба Б.В.П.) особей аллогамных популяций зависит не от степени гетерозиготности как таковой, а от того, в какой мере гены, привносимые в зиготу от материнского и от отцовского растений (материнской и отцовской гаметами), проявляют положительное аддитивное действие или межаллельное взаимодействие – от проявления аддитивного и неаддитивного эффектов в результате слияния гамет конкретных родительских форм. Тогда мы подошли к представлению о том, что индивидуальная продуктивность особей в аллогамных популяциях определяется комбинационной способностью их родительских форм. Способностью родительских форм образовывать при комбинации своих генотипов в результате слияния их гамет (их взаимного опыления) зиготы, в которых их признаки сочетаются таким наилучшим образом, что обеспечивают наибольшую продуктивность в широком смысле (В.П.) В соответствии с представлениями о двух видах действия генов: аддитивном и неаддитивном, – комбинационная способность состоит из двух компонентов: общей комбинационной способности (ОКС), обусловленной аддитивным действием генов, и специфической комбинационной способности (СКС), определяемой эффектом неаддитивного взаимодействия генов (Гужов и др., 1991, стр. 152).

 

Общие представления о комбинационной способности и трактовка её основных теоретический положений к настоящему времени сложились в полной мере (Райт, 1978; Рокицкий, 1978; Роне, 1980 б; Биргелис, 1981; 1988; Фолконер, 1985; Айала, 1988 а, б; Гужов, 1991; Царев, 2003; Бессчетнов, 2005 в; 2006; Бессчетнова, 2005 а; 2008 а, б; 2009 а, б, в 2016; Griffing, 1956 a, b; Das, 1998; Bailey, 2006; Han, 2008; Kamunya, 2009; Souza, 2009; Kroon, 2009; 2011; Mahdy, 2011).

 

Селекция древесных и кустарниковых видов, называемая лесной селекцией, оперирует преимущественно методами отбора, приемлемыми для работы в аллогамных популяциях. Они (эти методы) различаются тем, какая именно форма комбинационной способности преобладает у вида, который подвергают селекционному совершенствованию.

 

Известны методы отбора, основывающиеся на использовании эффекта общей комбинационной способности. Одним из них является повторяющийся (рекуррентный) отбор на общую комбинационную способность, другим – поликросс-тест. Их применение считается обоснованным, если неаддитивная (обусловленная доминированием) варианса значительно меньше, чем половина аддитивной генетической вариансы. Если же неаддитивная генетическая варианса, обусловленная эффектом доминирования, составляет больше половины аддитивной генетической вариансы, то имеются основания ожидать большего эффекта от отбора на специфическую комбинационную способность. Так поступают при селекции на гетерозис. Кроме того, возможен и одновременный отбор на достижение эффектов общей и специфической комбинационной способности – реципрокный повторяющийся отбор (Гужов и др., 1991, стр. 152).

 

Признается возможность оценки уровня генетической обусловленности селекционных преимуществ отобранных растений на основании испытания их клонов как первый этап определения генетического качества результатов селекции, например: плюсовых деревьев (Райт, 1978; Гужов, Фукс, Валичек, 1991, стр. 156). Такие сравнительные испытания вегетативных потомств возможны на соответствующих ЛСП и в архивах клонов. Идеология такого сравнительного испытания клонов выделенных по фенотипу плюсовых деревьев соответствует принципам клонового отбора, который в свою очередь базируется на реализации принципов близнецового метода (Айала, 1984, стр. 146 – 147; Айала, Кайгер, Т-2, 1988, стр. 357 - 359). Сравнительные испытания клонов проводят с целью выявления генотипической ценности выделенных по фенотипу плюсовых деревьев; ценны ли «элитные» растения не только фенотипически, но и генотипически. Ответ на это вопрос дают, исходя из постулата о том, что продуктивности клонов, полученных от более продуктивных объектов, также должна быть большей. Если это подтверждается в ходе сравнительных испытаний клонов исследуемых плюсовых деревьев, то приход к выводу о большей генотипичеси обусловленной продуктивности и самих плюсовых деревьев.

 

Емкое определение понятию «комбинационная способность» дают Г.В. Гуляев и В.В. Мальченко (1975, стр. 71).

 

Комбинационная способность – это способность линии или сорта при сочетании их в гибридных комбинациях давать потомство (F₁), характеризующееся различным относительно некоторого, условно принятого уровня выражением того или иного признака или свойства (Гуляев, Мальченко, 1975, стр. 71).

 

Они же (Гуляев, Мальченко, 1975, стр. 71) дают расшифровку предложенного определения. При существенном (факт существенности необходимо доказать в ходе дисперсионного анализа Б.В.П.) превышении над данным уровнем выражения исследуемого признака у потомства говорят о высокой комбинационной способности родителей. Определение комбинационной способности линий и сортов, а в лесной селекции плюсовых деревьев, является очень важным этапом в современной селекции на гетерозис у многих растений.

 

Принципиальная возможность применения методов генетического анализа популяций при работах с объектами ПЛСБ и ЕГСК определена принадлежностью составляющих их плюсовых деревьев к единой популяции. Все они должны быть отобраны в установленном порядке (Вересин, 1963; Временные рекомендации…, 1966; Указания о порядке отбора…, 1972; Основные положения по лесному семеноводству…, 1976; 1991; Указания по лесному семеноводству…, 2000) из состава естественных насаждений региона, что следует из содержания паспортов и описания плюсовых деревьев, введенных в ассортимент ЛСП.

 

При модернизации существующих представлений о комбинационной способности, выполненной на кафедре лесных культур Нижегородской ГСХА (Бессчетнова, 2016 а, 2016 б) мы исходили из того, что генотип каждого из них представляет собой часть генофонда общей популяции, из которой они были выделены. Сложность процессов взаимодействия генотипа особей и экологического фона, на котором сформировались популяции древесных видов, специфика их биологии, исключающая или существенно ограничивающая возможность применения в испытаниях по-вторяющихся смен поколений, делает нереальной реализацию исчерпывающего генетического анализа, обусловливает необходимость рассматривать упрощенные и формализованные модели популяций (Правдин, 1971; Роне, 1980а, б; Котов, 1997). В такой ситуации важно определить, насколько адекватно характеристики модели отражают свойства популяции. На лесосеменных плантациях при установленных схемах смешения клонов и размещения посадочных мест складываются условия для свободного и, в идеале, полного обмена генетической информацией между растениями, представляющими собой вегетативные потомства разных плюсовых деревьев. Вероятность возникновения самоопыления при этом сведена к минимуму. Пространственная структура ЛСП соответствует представлению о популяции как о системе организмов со случайным распространением генов. В известной мере ЛСП можно принимать как модель популяции (Правдин, 1971; Бороевич, 1984). ЛСП рассматривалась нами как модель популяции исключительно в отношении возможности осуществления на ней свободного опыления составляющих её особей (при оценке ОКС методом поликросс-теста). Кроме этого, мы считали возможным применить такую терминологию на основании того, что популяция традиционно рассматривается как группа особей одного вида, занимающая определенную территорию и имеющую определенные пространственно-репродуктивные взаимоотношения, в рамках реализации которых существует возможность для свободного (в границах популяции) обмена генетическим материалом (Завадский, 1968; Правдин, 1971; Гуляев, 1975; Филипченко, 1978; Айала, 1984; 1988а, б; Бороевич, 1984; Фолконер, 1985; Реймерс, 1990). Мы рассматривали ЛСП как совокупность живых организмов, в той или иной степени соответствующую понятию популяция по ряду своих характеристик:

- наличие в породном составе особей только одного вида (видовая гомогенность и монотипность в репродуктивной сфере);

- единство территории с четко обозначенными границами (пространственно-территориальный критерий общности особей совокупности);

- выраженная в той или иной степени территориальная и репродуктивная обособленность от других популяций и особей того же вида (аспект локальной изоляции от остальных особей того же вида);

- свободный и полный обмен генетической информацией между особями в пределах границ совокупности (способность к панмиксии или аспект потенциально полного генетического взаимообмена);

- нахождение на определенной территории особей в данном составе и соотношении в течение достаточно продолжительного времени, настолько продолжительного, что становится возможным их многократное репродуктивное взаимодействие и формирование семенных генераций, способных обеспечить смену семенных поколений (временной аспект репродуктивного взаимодействия особей, составляющих совокупность).

 

Кроме того, на ЛСП вегетативного происхождения создаются необходимые предпосылки для полного, равномерного и сбалансированного опыления каждого ортета, представленного некоторым набором своих клонов – рамет, пыльцой всех остальных плюсовых деревьев, введенных в ассортиментный состав. Следовательно, на репродуктивно изолированной от несанк-ционированного заноса пыльцы лесосеменной плантации реализуется неконтролируемое опыление плюсовых деревьев по схеме поликросса. Тогда у нас возникают основания рассматривать отдельную ЛСП как поликроссное поле, выступающее источником семян при проведении генетического анализа семенного потомства полусибсов плюсовых деревьев по системе поли-кросс-теста (Кедров-Зихман, 1974; Райт, 1978; Рокицкий, 1978; Фолконер, 1985; Гужов, 1991; Sprague, 1942; Hinkelmann, 1963; Dey, 1994; Gupta, 1994; Singh, 1995; Mukerjee, 1997; Olfati, 2012; Azad, 2014): все варианты перекрестного опыления при исключении самоопыления.

 

 

Сложность организации и высокая трудоемкость контролируемых скрещиваний на объектах постоянной лесосеменной базы выдвигают в число основных критериев оценки селекционных преимуществ и генетической ценности плюсовых деревьев, выделенных по фенотипу, их общую комбинационную способность (Петров, 1981). Вместе с тем, известные алгоритмы вычисления оценок общей комбинационной способности (Райт, 1978; Рокицкий, 1978; Фолконер, 1985; Гужов, 1991; Котов, 1997; Царев, 2003) не определяют конкретный порядок расчета этих величин при реализации поликросс-теста, в частности в варианте свободного опыления на лесосеменных плантациях. Отсутствуют и однозначно трактуемые представления о правилах использования в таких расчетах контроля.

 

 

В селекции растений хорошо известно, что не каждое скрещивание двух линий (родительских форм или плюсовых деревьев) приводит к получению гетерозисных гибридов, так как различные генотипы в неодинаковой степени способны обеспечить эффект гетерозиса. Чтобы найти наиболее приспособленные для этого плюсовые деревья, формы, лини или в конечном итоге сорта необходимо проводить диаллельные скрещивания, в которых каждую изучаемую родительскую форму (плюсовое дерево, гибрид, линию) скрещивают с каждой другой изучаемой родительской формой (плюсовым деревом, гибридом, линией). Полученные вследствие этого семенные потомства испытываемых объектов совместно выращивают на специальных участках – испытательных культурах.

 

Поскольку селекционерам приходится иметь дело с сотнями и даже тысячами линий, сортов и форм (коллекции вегетативных репродукций плюсовых деревьев сосны обыкновенной в Семеновском специализированном семеноводческом лесхозе или лиственницы сибирской в бывшем Волжском лесхозе Нижегородской области превышают сотни единиц), то перекомбинировать их во всех сочетаниях не представляется возможным. Вследствие этого все многообразие исходных родительских форм нередко объединяют в небольшие группы по 8 – 10 форм (наиболее различающиеся в признаках или по происхождению при реализации стратегии скрещивания наиболее отдаленных родительских форм) или линий, и затем проводят диаллельные скрещивания в пределах каждой из них в отдельности.

 

Схема диаллельного скрещивания, как правило, представляется в виде таблицы («решетки»). Один из её вариантов для 6 родительских форм приведен ниже (табл. 1).

 

Таблица 1.

Схема полных диаллельных скрещиваний шести родительских форм