Способ изменения фенотипа и устойчивости растений

Изобретение относится к области биотехнологии. Изобретение представляет собой способ изменения фенотипа и устойчивости к фитофторозу растений картофеля, включающий имплантацию вегетирующих и покоящихся частей различных видов растений-доноров в растение-реципиент, причём вегетирующие и покоящиеся части различных видов растений имплантируют в мякоть клубней картофеля или опыливают пыльцой других растений раневую поверхность клубней картофеля. Изобретение позволяет изменить фенотип и усилить устойчивости к фитофторозу растений картофеля. 7 пр.

 

Изобретение относится к области растениеводства и может быть использовано при выведении новых сортов сельскохозяйственных культур.

Известны способы изменения фенотипа и устойчивости растений, путём скрещивания различных форм растений /1/. Однако, это длительный и дорогостоящий процесс, включающий подбор соответствующих пар, проведение скрещивания, выращивание потомства и отбора растений с новыми, полезными для человека свойствами.

Известны способы изменения фенотипа и устойчивости растений путём применения изотопов и ядерных излучений /2/. Однако этот путь дорогостоящий, требует специальной аппаратуры и специализированных помещений, а в экстремальных ситуациях подвергается опасности жизнь и здоровье людей.

Известны случаи изменения фенотипа и устойчивости растений в результате модифицированной изменчивости при условии развития растительного организма в различных условиях внешней среды /3/. Однако для искусственного получения таких изменений необходимы специализированные дорогостоящие оборудование и большие затраты труда.

Известны изменения фенотипа и устойчивости растений, происходящие под влиянием мутационного процесса (мутанты, спорты, химеры) /4/. Использование этого биологического явления требует изучения отбора нужных растений из многих тысяч растительных организмов.

Известен способ вегетативной гибридизации как метод создания новых сортов растений /5/ суть которого заключается в том, что ткани одного растения (донор - привой) имплантируют в ткани другого растения (реципиент - подвой). В результате этого, развивающиеся ткани реципиента становятся внешней средой для имплантируемого донора. Дезоксирибонуклеиновые кислоты обоих сортов, несущие формообразующую и другую генетическую информацию получают возможность взаимодействовать друг с другом, увеличивая число комбинаций фенотипических признаков. Реализация этих способов, решается практически путём окулировок или прививок. Таким образом, было получено много сортов фруктовых деревьев. Опыты по вегетативной гибридизации проводились и в отношении картофеля. Однако растение реципиент при описанных способах вегетативной гибридизации оказывает на растение донор ограниченное воздействие, вследствие кратковременности соприкосновения поверхностей с активно делящимися клетками, что ограничивает рекомбинацию фенотипических признаков. Кроме того при таких способах вегетативной гибридизации не было получено положительных результатов по преодолению несовместимости растений, принадлежащих к разным типам, классам, семействам растений.

Клубень картофеля - видоизменённый стебель, наделённый свойствами отдельного организма. В нём протекает огромное количество биохимических реакций, определяющих фенотип будущего растения картофеля. При механическом повреждении клубня вступают в силу защитные реакции, сопровождающиеся образованием генетически инертных недифференцированных клеток (каллус). Зона поражения клубня - зона интенсивного деления клеток, процесс затягивания повреждений продолжается 10 - 15 дней.

Клетки растения-донора, попадая в зону интенсивного деления клеток клубня картофеля (имплантация), также травмированные (отделение части растения от целого растения-донора) в зоне повреждения также начинают интенсивное деление, сопровождающееся репликацией генетического материала. В результате происходит обмен и объединение функций нуклеиновых кислот, несущих формообразовательную, биохимическую и другую информацию, в том числе определяющую степень жизнеспособности и устойчивости растительного организма.

Метаболизм нуклеиновых кислот в клетках - сложный, сопровождающийся трансформацией, разрушением и синтезом дезоксирибонуклеиновых (ДНК) и рибонуклеиновых кислот (РНК) /5/. Так как нуклеиновые кислоты напрямую контролируют особенности фенотипа растения, то слияние протоплазмы травмированных клеток донора и реципиента приводит к резкому изменению фенотипа обоих родительских форм.

Целью изобретения является упрощение и удешевление получения растений с новыми хозяйственно-фенотипическими признаками и повышенной устойчивостью к вредителям и болезням при хранении, а также к абиотическим факторам, с более высокими урожайностью и пищевыми качествами.

Поставленная цель решается путём имплантации вегетирующих или покоящихся частей растений различных видов в мякоть клубней картофеля, или опыление раневой поверхности клубня картофеля пыльцой растений с последующей посадкой и получением урожая.

Общедоступность и простота решения позволяет в короткие сроки при минимальных затратах труда и средств получать множество различных по качеству фенотипических модификаций и степени устойчивости растения реципиента и осуществлять наблюдение за фенотипическими изменениями растения-донора.

Способ осуществляется следующим образом: для посадки используют прогретые и пророщенные на свету клубни картофеля. Перед проращиванием клубни обрабатыванием раствором микроэлементов. В мякоти клубня стерильным режущим инструментом делается надрез или вырезается отверстие соответствующей форме и размеру имплантируемого донора. Донор помещается в мякоть клубня, после чего клубень высаживают в почву, параллельно с контрольным, не подвергающимися операции клубнями и осуществляют фиксирование фенотипических признаков.

Пример 1. Растение донор - берёза (несозревшие серёжки), растение реципиент - клубни картофеля сорт Невский (Картобер). В клубни картофеля сорта Невский имплантировали несозревшие серёжки берёзы. Высадили в грунт. Параллельно, в качестве контроля выращивали растения картофеля сорта Невский.

Посадка - 25 июня.

Всходы - 2 июля (в контроле 17 июля).

В случае картобера из клубней картофеля не взошли растения березы.

Среднее число стеблей картобера составило 5,8 (73,4%) на 1 куст, (контроль 7,9).

Высота стеблей картобера составила в опыте 88,0 см (197,8%) (контроль 81,6 см).

Бутонизация картобера началась 18 июля (контроль 01 августа).

Цветение 28 июля, (контроль 16 августа).

В опыте имело место обильное ягодообразование.

Средний диаметр клубня картобера составил, 42,1мм (113,2%), (контроль 37,2 мм).

Средний вес клубня картобера составил г. 42,4 г (81,4%), (контроль 52,1 г).

Средне число клубней на 1 куст картобера (стебли картофеля), 11,9 (116,7%), (контроль 10,2).

Средний вес клубней, в пересчете на 1 куст картобера 504,6 г (95,0%), в контроле 531,4 г.

Урожайность, т/га. 25,2 (94,7%) (контроль 26,6 т/га).

Устойчивость ботвы картобера к фитофторозу, баллов 8,7 балла, сорта Невский (контроль 5,6 балла).

Пример 2. Растение донор - полевой вьюнок, растение реципиент - клубни картофеля сорта Невский (Картовьюн). В клубни картофеля сорта Невский имплантировали живые цветки полевого вьюнка, после чего клубни высаживали в грунт. Параллельно, в качестве контроля высаживали клубни картофеля сорта Невский. Следили за развитием растений полевого вьюнка в природе.

Посадка - 5 июня

Всходы - 19 июня (в контроле 29 июня).

В случае картовьюна из клубней картофеля взошли как растения картофеля, так и вьюнка полевого.

Цветения, как у картофеля, так и у растения вьюнка не наблюдалось.

Среднее число стеблей картовьюна (стебли картофеля), составило 4,8 (52,7%) на 1 куст, (контроль 9,1).

Высота стеблей картовьюна (стебли картофеля), составило в опыте 43,4 см. (55,4%), (контроль - 75,3 см).

Высота стеблей картовьюна (стебли вьюнка), составило в опыте 50 см (28,6%), (контроль - 175 см).

Длина листа картовьюна (стебли вьюнка), составило в опыте 64 мм (123,1%), (контроль - 52 мм).

Ширина листа картовюна (стели вьюнка) составила в опыте 15 мм (75%) (контроль - 20 мм).

Отношение длины к ширине листа картовьюна (стебли вьюнка) - 4,30 (165,4%), (контроль - 2,60).

Листовые пластинки у картовьюна (стебли вьюнка) были более тонкие и нежные в сравнении с контролем.

Стебли вьюнка у картовьюна обвивали стебли картофеля и не поднимались выше стеблей картофеля.

Стебли картофеля и вьюнка у картовьюна не бутонизировали.

Средний диаметр клубней картовьюна составил 33,8 мм (76,3%), (контроль - 44,3 мм).

Средний вес клубней картовьюна составил 24,8 г (43,3%), (контроль - 57,3 г).

Среднее число клубней на 1 куст картовьюна (стебли картофеля), - 5,7 (65,5%), (контроль 8,7).

Средний вес клубней, в пересчёте на 1 куст картовьюна (стебли картофеля) 141,4 г (28,4%), (контроль 498,5 г).

Урожайность, т/га картовьюна (стебли картофеля), - 7,07 т/га (28,4%), в контроле 24,9 т/га.

Устойчивость ботвы картовьюна к фитофторозу, баллов - 8,9 балла (+3,3 балла), сорта Невский (контроль) - 5,6 балла.

Пример 3. Растение донор - клён (несозревшие крылатки), растение реципиент - клубни картофеля, сорта Невский (Картоклён).

В клубни картофеля сорта Невский имплантировали несозревшие крылатки клёна, после чего клубни высаживали в грунт (картоклён). Параллельно, в качестве контроля выращивали растения картофеля сорта Невский.

Посадка - 25 июня.

Всходы - 2 июля (в контроле - 17 июля).

В случае картоклёна из клубней из клубней картофеля не взошли растения клёна.

Листья картоклёна отличались от контрольных более выраженным жилкованием, тенденцией к снижению числа жилок и имели длину 220 мм (122,0%), листья картофеля в контроле (сорт Невский) имели длину 180 мм.

Среднее число стеблей картоклёна составило 9,4 (140,3%) на 1 куст (контроль 6,7).

Высота стеблей картоклёна составила в опыте - 97,0 см (118,9%), (контроль - 81,6).

Бутонизация картоклёна началась 18 июля, (контроль - 01 августа).

Цветение картоклёна (стебли картофеля) началось 28 июля, (контроль - 16 августа).

Имело место обильное ягодообразование, (контроль - единичное).

Средний диаметр клубней картоклёна составил 47,9 мм (115,4%), (контроль - 41,5 мм).

Среднее число клубней на 1 куст картоклёна (стебли картофеля) 14,1 (143,9%), (контроль - 9,8).

Средний вес клубней картоклёна составил 59,0 г (113,2%), (контроль - 52,1г).

Средний вес клубней в пересчёте на 1 куст картоклёна 832,0 г (168,8%), (контроль - 510,6 г).

Урожайность, т/га картоклёна 46,0 т/га (181,8%), (контроль - 25,3 т/га).

Устойчивость ботвы картоклёна к фитофторозу - 8,9 баллов (+3,3 балла), сорта Невский (контроль) - 5,6 балла.

Пример 4. Растение донор - кукуруза (проросшие зёрна), растение реципиент - клубни картофеля сорта Невский (Картокук).

В клубни картофеля сорта Невский имплантировали проросшие зёрна кукурузы, после чего клубни с зернами кукурузы высаживали в грунт (картокук). В качестве контроля сажали клубни картофеля сорта Невский и зерна кукурузы.

Посадка - 30 мая.

Всходы - 11 июня (в контроле - 13 июля).

В случае картокука из клубней картофеля взошли как растения картофеля, так и растения кукурузы.

Листья картокука (стебли картофеля), отличались от контрольных вздутыми, опушёнными жилками, тенденцией к заострению концов долек и имели среднюю длину 70 мм (63,6%), листья картофеля (сорт Невский) в контроле имели длину 110 мм.

Соотношение длины к ширине у листьев картокука (стебли картофеля), составило 54,2%, в контроле 60,5%.

Среднее число стеблей картокука (стебли картофеля) составило 6,9 (78,4%) на 1 куст, (контроль - 8,8).

Высота стеблей картокука (стебли картофеля) составила в опыте 52,5 см (63,3%), (контроль 60,5 см).

Бутонизация картокука (стебли картофеля) началась 29 июня, (контроль - 30 июня).

Цветение картокука (стебли картофеля) началась 06 июля, (контроль - 10 июля).

Имело место ягодообразование, (в контроле единичное).

Средний диаметр клубней картокука (стебли картофеля), составил 48,1 мм (114,5%), (контроль 42,0 мм).

Средний вес клубней картокука (стебли картофеля), составил 64,3 г (115,2%), (контроль 55,8 г).

Средний число клубней на 1 куст картокука (стебли картофеля), 11,4 (123,9%), (контроль - 9,2).

Средний вес клубней, в пересчете 1 куст картокука (стебли картофеля), - 733 г (142,8%), (контроль - 513,3 г).

Урожайность, т/га картокука (стебли картофеля) - 36,7 т/га (142,8%), (контроль - 25,7 т/га).

Высота стеблей картокука (стбели кукурузы) - 60,6 см (77,9%), (контроль - 77,8 см).

Листья стеблей кукурузы растений картокука были более длинными и узкими в сравнении с контролем (растения кукурузы).

Устойчивость ботвы картокука к фитофторозу - 8,8 балла (+3,2 балла), сорт Невский (контроль - 5,6 балла).

Кукуруза, проросшая из клубней картофеля (растения картокук) зацвела и дала початки молочно-восковой спелости. В контроле кукуруза также дала початки молочно-восковой спелости.

Среднее число початков кукурузы в пересчёте на 1 стебель кукурузы растения картокук составил 3,7 (86,0%), (контроль - 4,3).

Среднее число зерен в початке кукурузы в пересчёте на 1 стебель кукурузы растения картокук составило 300 (115,4%), (контроль - 260).

Высаженные на следующий год клубни картокука дали хорошо развитые кусты и неплохой урожай - 34,8 т/га (109,9%), (контроль 31,9 т/га).

Устойчивость ботвы картокука к фитофторозу на второй год вегетации - 8,9 балла (+3,3 балла), сорта Невский (контроль) - 5,6 балла.

Пример 5. Растение донор - фасоль (проросшие зёрна), растение реципиент - клубни картофеля сорта Невский (Картофас).

В клубни картофеля сорта Невский имплантировали проросшие зёрна фасоли, после чего клубни с зёрнами фасоли высаживали в грунт (картофас). Параллельно в грунт в качестве контроля высаживали клубни сорта Невский, и проросшие семена фасоли.

Посадка - 5 июня.

Всходы картофаса - 15 июня (в контроле 19 июня).

В случае картофаса из клубней взошли как растения картофеля, так и растения фасоли.

Листья картофаса (стебли картофеля), отличались от контрольных увеличенной конечной долей и имели длину - 120мм (109,1%), листья картофеля (сорт Невский) имели длину 110мм.

Среднее число стеблей картофаса (стебли картофеля), составило 11,6 (131,8%) на 1 куст, (контроль - 8,8).

Высота стеблей картофаса (стебли картофеля) составила в опыте - 90,3 см (110,7%), (контроль - 81,6) см.

Высота стеблей картофаса (стебли фасоли) - 48,0 см (81,4%), (контроль 59,0 см).

Общая длина листа картофаса (стебли фасоли) - 150 мм (78,9%), (контроль 190 мм).

Длина конечной доли листа (стебли фасоли) - 83,0 мм (92,2%), (контроль 90,0 мм).

Ширина конечной доли листа картофаса (стебли фасоли) - 41,0 мм (82,0%), (контроль - 50,0 мм).

Отношение длины к ширине конечной доли листа картофаса (стебли фасоли) - 2,17 (120,6%), (контроль - 1,80).

Длина черешка конечной доли листа картофаса (стебли фасоли) - 52,0 мм (49,5%), (контроль - 105.0 мм).

Бутонизация картофаса (стебли картофеля) началась 25 июня, в контроле 03 июля.

Цветение картофаса (стебли картофеля) началось 10 июля, в контроле 16 июля.

Бутонизация картофаса (стебли фасоли) началась 08 августа, в контроле 11 июля.

Цветение картофаса (стебли фасоли) началось 12 августа, в контроле 20 июля.

Длина стручка картофаса - 160 мм (110,3%), (контроль - 145 мм).

Ширина стручка картофаса - 20 мм (125,0%), (контроль - 16,0 мм).

Длина конечного шипа стручка картофакса, мм. - 20 (контроль 10).

Число семян в стручке картофаса - 5, в контроле 5.

Длина конечного шипа стручка картофаса - 20 мм (200%), в контроле 10 мм.

Поверхность стручка картофаса шероховатая с пупырышками (контроль - гладкая).

Средний диаметр клубней картофаса - 65,7 мм (158,3%), (контроль - 41,5 мм).

Средний вес клубней картофаса - 64,7 г (115,7%), (контроль 55,8 г).

Среднее число клубней на 1 куст картофаса (стебли картофеля) - 18,9 (181,7%), (контроль 10,4).

Средний вес клубней, в пересчете на 1 куст картофаса (стебли картофеля) - 1200.0 г (148,1%), (контроль - 811,3 г).

Урожайность, т/га - картофаса (стебли картофеля) - 60,0 т/га (148,1%), (контроль - 40,5 т/га).

Устойчивость ботвы картофаса к фитофторозу - 8,9 балла (+3,1 балла), сорта Невский (контроль) - 5,8 балла.

Устойчивость клубней картофеля к ризоктонии у картофаса - 8,4 (+1,1 балла), (контроль 7,3 балла).

Высота стеблей картофаса (стебли фасоли) - 22,8 см (77,7%), (контроль 28,4 см).

Фасоль, проросшая из клубней картофеля (картофаса) зацвела и дала стручки (контроль тоже дала стручки).

Среднее число стручков фасоли в пересчёте на 1 стебель фасоли растения картофас составил - 5,9 (107,3%), (контроль - 5,5).

Средне число зёрен в стручке в пересчёте на 1 стебель фасоли растения картофас - 9,7 (111,5%), (контроль - 8,7).

Пример 6. Растение донор - шиповник (несозревшие ягоды), растение реципиент - клубни картофеля сорта Невский (Картошип).

В клубнях картофеля сорта Невский имплантировали разрезанные несозревшие ягоды шиповника, после чего клубни с несозревшими ягодами высаживали в грунт (картошип). Параллельно, в качестве контроля высаживали растения картофеля сорта Невский.

Посадка - 29 июня.

Всходы - 6 июля (в контроле - 17 июля).

В случае карошипа из клубней картофеля не взошли растения шиповника.

Кусты карошипа образовались двух типов - штамбовые с одним стеблем и кустовые - 9,3 стеблей/куст (127,4%), (контроль 7,3 стебля/куст).

Штамбовые кусты картошипа имели среднюю высоту - 40,3 см (51,2%), в контроле 78,7 см, не бутонизировали.

Кустовая форма картошипа 50,4 см (64,0%),(контроль - 78,7 см), дала обильное цветение без ягодообразования.

Кустовая форма картошипа дала обильное цветение без ягодообразования.

Бутонизация картошипа началась 13 июля, (на 14 день после посадки), (контроль 01 августа).

Цветение картошипа - началось 22 июля (на 21 день после посадки), (контроль - 16 августа).

Клубни картошипа отличались ярко красной окраской.

Средний диаметр клубней картошипа - 34,3 мм (72,5%), (контроль - 47,3 мм).

Средний вес клубней картошипа составил 23,4 г (52,1%), (контроль - 44,9 г).

Среднее число клубней на 1 куст картошипа - 5,3 (63,1%), (контроль - 8,4).

Средний вес клубней, в пересчете на 1 куст картошипа - 124,0 г (контроль - 377,2 г).

Урожайность, т/га картошипа - 6,2 т/га (32,8%), (контроль - 18,9 т/га).

Устойчивость ботвы картошипа к фитофторозу 7,7 балла (+2,0 балла), сорта Невский (контроль) - 5,7 балла.

Пример 7. Растение донор - щавель (пыльца), растение реципиент - клубни картофеля сорта Невский (Картощав).

Раневую поверхность клубней картофеля сорта Невский опыляли пыльцой щавеля, после чего клубни с пыльцой щавеля высаживали в грунт (картощав). Параллельно, в качестве контроля сажали в грунт растения картофеля сорта Невский.

Посадка - 24 июня.

Всходы - 4 июля, в контроле 16 июля.

В случае картощава из клубней картофеля не проросли растения щавеля.

Кусты картощавля имели высоту - 78 см (120%), (контроль - 65 см).

Бутонизация картощава началась 20 июля, (контроль - 30 июля).

Цветение началось 28 июля, (контроль - 08 августа).

Имело место ягодообразование.

Средний диаметр клубней картощава - 55,6 мм (110,5%), (контроль 50,3 мм).

Средний вес клубней картощава - 59,3 г (129,8%), (контроль 45,7 г).

Среднее число клубней на 1 куст картощава - 11,8 (128,3%), (контроль 9,2).

Средний вес клубней в пересчёте на 1 куст картощава - 697,7 г (163,8%), (контроль 420,4 г).

Урожайность, т/га картощава -35,0 т/га (166,7%), (контроль 21,0 т/га).

Устойчивость ботвы к фитофторозу - 8,8 балла (+3,3 балла), сорт Невский (контроль - 5,5 балла).

Таким образом, имплантация в клубень картофеля вегетирующих и покоящихся частей различных видов растений, или опыление раневой поверхности приводят к изменению фенотипических признаков и устойчивости растений, как в отношении донора (полевой вьюнок, кукуруза, фасоль), так и в отношении растения реципиента (картофель) - во всех приведённых примерах, в частности, резкое снижение длины растения-донора (полевой вьюнок) и отсутствия цветения у этого растения. Снижение высоты растения-донора, в случае кукурузы, повышения регенерационной способности у растений - доноров (кукуруза, фасоль). У листьев полевого вьюнка, кукурузы и фасоли, выросших из клубней картофеля имели место изменения формы листовой пластинки и длины черешка.

У реципиента (клубни картофеля сорта Невский) проявились в формы - в сторону повышения урожайности (картоклён, картокук, картофас, картщав) и в сторону снижения урожайности (картовьюн, картошип). Во всех случаях имело место повышение устойчивости к фитофторе.

Источники информации

1. Букасов С. М., Камераз А.Я. Селекция и семеноводство картофеля//Л. Колос, 1972.

2. Сидоров В., Зубко М., Кучко А. Получение мутантов картофеля in vitro и их использование в клеточной инженерии//Генетика и селекция. Том 19. - Выпуск № 5. - 1986. - С.470 - 474.

3. Асси Д. Сельскохозяйственная экология//Государственное издательство сельскохозяйственной и колхозно-кооперативной литературы. М - Л. - 1932. - 350 с.

4. Применение изотопов и ядерных излучений в сельском хозяйстве. Тезисы докладов Всесоюзной научно - технической конференции ХХ лет производства и применения изотопов и источников ядерных излучений в народном хозяев СССР//Атомиздат. - 1968. - 88 с.

5. Мичурин И. В. Итоги шестидесятилетних работ//М. - 1976.

6. Нуклеиновые кислоты//Мир. - 1956 - 424 с.

Способ изменения фенотипа и устойчивости к фитофторозу растений картофеля, включающий имплантацию вегетирующих и покоящихся частей растений донора другого вида в мякоть клубней картофеля или опыливание пыльцой другого вида растения раневой поверхности клубней картофеля с последующей посадкой и получением урожая.