Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Katedra Genetyki i Hodowli Roślin

(1)

Analiza bioróżnorodności zasobów genowych soi przydatnej do hodowli w warunkach klimatycznych Polski i

opracowanie metodyki krzyżowania międzygatunkowego Glycine max x Glycine soja

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Katedra Genetyki i Hodowli Roślin

Projekt finansowany przez Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi

w ramach dotacji na pokrycie kosztów wykonania badań odstawowych na rzecz postępu biologicznego w produkcji roślinnej

zadanie nr 43

Okres realizacji: 2014 - 2020

Wykonawca UPP:

dr inż. Danuta Kurasiak-Popowska

Wykonawca DANKO Hodowla Roślin Sp. z o. o.:

dr inż. Agnieszka Kaczmarek

Kierownik zadania: prof. UPP dr hab. Jerzy Nawracała

email: jerzy.nawracala@up.poznan.pl

(2)

Cel tematu badawczego 1

Cel zadania badawczego

W ramach zadania realizowano dwa tematy badawcze

Zgromadzenie genotypów soi Glycine max i Glycine soja z banków genów, kolekcji i innych źródeł oraz charakterystyka ich cech fenologicznych, morfologicznych oraz cech komponentów plonu.

Ocena otrzymanych w latach 2014 - 2018 genotypów pod kątem ich przydatności do warunków klimatycznych Polski.

Cel tematu badawczego 2

Opracowanie metodyki krzyżowania międzygatunkowego Glycine max x Glycine soja. Celami szczegółowymi było przeprowadzenie obserwacji kwitnienia wybranych genotypów G. soja w warunkach szklarniowych i polowych, wykonanie krzyżowania pomiędzy krzyżowania pomiędzy G. max i G. soja różnymi metodami, ocena mieszańcowości roślin otrzymanych z krzyżowania oraz analiza zmienności otrzymanych mieszańców w pokoleniach F

2

– F

5

Cel został osiągnięty

(3)

500 genotypów soi zgromadzonych w KG i HR w latach 2014 – 2018, otrzymanych z:

• Soybean Germplasm Collection, Urbana, USDA, ARS (USA)

• Japanese Soybean Core Collection, NIAS (Japonia)

• Gene Resources of Canada, Agriculture and Agri-Food Canada, Saskatoon

• Leguminous Crops Genetic Resources Department z N. I. Vavilov Research Institut of Plant Industry w St. Petersburgu w Rosji

• Odmiany soi uzyskane z Czech, Austrii, Szwajcarii, Niemiec, Ukrainy i innych państw,

• Krajowego Centrum Roślinnych Zasobów Genowych w Radzikowie

• Odmiany i linie wyhodowane w Katedrze Genetyki i Hodowli Roślin

Materiały roślinny

Materiał roślinny oceniany w doświadczeniach polowych

23 takie same genotypy otrzymano z różnych

banków genów, traktowano je jako różne genotypy

437 genotypów Glycine max 35 genotypów Glycine soja

3 genotypy jako Glycine gracillis 1 genotyp jako Glycine ussuriensis

Temat badawczy 2 Temat badawczy 1

• 5 genotypów dzikiego gatunku G. soja: PI 522184, PI 538411A, PI 538411B, PI 507825 i PI 464870 rosnących w północnych Chinach i w Rosji nad Amurem

• Mieszańce międzygatunkowe G. max x G. soja pokolenia F

₁

– F

₅

• Odmiany uprawiane w Polsce: Augusta, Aldana, Aligator, Annushka, Mavka, Merlin,

(4)

Metodyka

Doświadczenia polowe przeprowadzono w latach 2014 - 2020

Doświadczenia z oceną sprowadzonych genotypów:

• 25 doświadczeń w Rolniczym Gospodarstwie Doświadczalnym Dłoń,

• 3 doświadczenia w Ogrodzie Doświadczalnym KG i HR w Poznaniu,

• 6 doświadczeń w Szelejewie – Hodowla Roślin Danko Sp. z o.o.

• Układ doświadczeń w zależności od liczby otrzymanych i zebranych nasion:

jednopowtórzeniowe lub bloki losowane w 2 powtórzeniach

• Powierzchnia poletka 1 lub 2 m

²

, Rozstaw – 50 cm

Obserwacje faz fenologicznych, cech morfologicznych i komponentów plonu

Doświadczenia z oceną potencjału plonowania wybranych genotypów

• 7 doświadczeń: RGD Dłoń, bloki losowane, 3 powtórzenia, powierzchnia poletka – 9 m

²

3-letni cykl oceny każdego sprowadzonego genotypu

Temat badawczy 2 Temat badawczy 1

• Obserwacje przebiegu kwitnienia w warunkach szklarniowych i polowych – 3 terminy siewu,

• Obserwacje pękania pylników oraz kiełkowania łagiewek pyłkowych w zależności od pory dnia

• Krzyżowanie roślin G. max x G.soja z kastracja kwiatów i bez kastracji

• Obserwacje, fenologiczne, morfologiczne i cech komponentów plonu roślin

mieszańcowych pokoleń F

₁

– F

₅

(5)

Wyniki i wnioski

Temat badawczy 1

Zakres zmienności cech fenologicznych, morfologicznych i cech komponentów plony genotypów Glycine max zgromadzonych w latach 2014 – 2018 w 12 doświadczeniach polowych przeprowadzonych w RGD Dłoń

W ramach realizacji zadania nr 43 w KG i HR zgromadzono olbrzymią, największą w Polsce kolekcję genotypów soi pochodzących z różnych rejonów świata – razem 500 genotypów. Genotypy te były oceniane w 3-letnich cyklach doświadczeń. Zgromadzone genotypy różniły się znacznie pod względem przebiegu kwitnienia, długości okresu wegetacji oraz analizowanych cech morfologicznych i cech komponentów plonu. Przykładowy, olbrzymi zakres zmienności obserwowany w doświadczeniach w RGD Dłoń przedstawiono poniżej.

Rok/liczba

doświadczeń Zakres

Liczba dni od siewu

do kwitnienia

Długośc okresy wegetacji

(dni)

Wysokość roślin (cm)

Wysokość osadzenia I

strąka (cm)

Liczba pędów bocznych

Liczba strąków z

rośliny

Liczba nasion z

rośliny

Liczba nasion w

strąku

Masa nasion z rośliny (g)

MTN (g)

2016 Min 51 109 19,5 2,7 0,0 9,6 13,8 1,0 1,5 43,8

3 Max 115 190 144,0 23,1 14,0 106,7 171,3 2,5 28,1 333,2

2017 Min 54 112 22,0 3,0 0,0 9,0 11,4 0,9 0,7 31,3

4 Max 98 198 133,0 26,8 12,0 350,5 503,0 2,8 96,9 419,1

2018 Min 45 107 19,0 3,2 0,0 5,2 5,2 1,0 0,4 74,1

3 Max 95 190 151,0 28,2 7,0 116,0 225,0 2,9 45,9 369,9

2019 Min 50 111 16,4 3,4 0,0 16,0 16,6 1,1 0,9 32,6

3 Max 109 194 115,8 30,0 11,2 314,2 575,8 2,7 64,4 406,4

(6)

Wyniki

Genotypy kolekcyjne, które plonowały na poziomie wzorców w doświadczeniach w RGD Dłoń (2017 – 2020)

PI 449459 81,9 12,8 0,5 1,5 25,5 1,7 40,8 7,0 170,6 24,7

K 9922 75,0 11,6 0,8 1,1 23,2 2,1 44,5 8,9 200,9 30,4

K 10539 93,0 16,7 0,1 0,7 24,6 1,9 42,1 7,7 184,7 26,9

K 10615 75,3 20,1 0,4 1,3 23,6 1,8 40,4 7,7 196,2 21,0

PI 468921 68,4 13,2 1,1 1,4 22,1 1,8 38,5 6,7 174,0 22,5

PI 532467 72,7 17,9 1,1 1,7 23,7 1,8 39,1 7,1 179,0 21,8

D 80 65,0 13,4 1,0 1,3 21,7 2,0 41,7 7,4 177,7 23,0

Bzillmeyer 68,7 16,6 0,5 1,9 27,3 1,8 50,3 10,2 202,9 23,3

No 634 81,8 21,8 1,1 1,4 22,1 1,9 42,1 9,4 226,2 21,3

90b43 74,7 20,5 0,5 1,6 24,9 1,9 47,6 10,0 208,8 23,9

Augusta 68,6 14,5 1,1 1,3 24,5 2,0 46,0 7,2 156,6 22,7

Aligator 62,9 12,0 1,1 1,2 23,3 2,0 43,9 9,0 204,0 26,8

strąku

Liczba nasion z

rośliny

Masa nasion z rośliny (g)

Plon w dt/ha MTN (g)

Genotyp

Wysokość roślin

(cm)

Wysokość osadzenia 1 strąka

(cm)

Liczba strąków do

10 cm

Liczba strąków z

rośliny

Kolor czarny – średnia z 2 lat, kolor niebieski – średnia z 3 lat, wzorce kolor czerwony - średnia z 4 lat

Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń kolekcyjnych do oceny potencjału plonowania wybrano 33 genotypy soi charakteryzujące się korzystnymi cechami morfologicznymi i cechami komponentów plonu. Łącznie wykonano 7 doświadczeń. Zdecydowana większość genotypów analizowanych w doświadczeniu charakteryzowała się średnim potencjałem plonowania i miała i zbyt długi okres wegetacji.

Jedynie 2 genotypy charakteryzowały się wyższym potencjałem plonowania od późnej odmiany kontrolnej Aligator: genotypy K9922 i K10539 pochodzące z Rosji. Wyniki te są potwierdzeniem faktu, że bardzo trudno jest znaleźć w zagranicznych bankach genów i kolekcjach genotypy soi nadające się bezpośrednio do uprawy w warunkach klimatycznych Polski.

Temat badawczy 1

(7)

• Zdecydowana większość genotypów otrzymanych z zagranicznych banków genów i kolekcji charakteryzowała się w warunkach klimatycznych Polski długim okresem wegetacji. Ponieważ w latach doświadczeń w okresie wegetacji soi temperatury powietrza były wysokie można przypuszczać, że wydłużenie wegetacji jest wynikiem reakcji fotoperiodycznej sprowadzonych genotypów na warunki długiego dnia.

• Ocena cech morfologicznych i komponentów plonu zgromadzonych genotypów oraz długości okresu wegetacji wykazała, że można wyselekcjonować genotypy o różnych, korzystnych z punktu widzenia hodowli cechach jak genotypy: wysokie jednocześnie o zdeterminowanym typie wzrostu, zawiązujące wysoko pierwszy strąk, o dużej liczbie pędów bocznych, dużej licznie nasion z rośliny, oraz dużej masie nasion z rośliny i MTN.

• Powtarzające się w ostatnich latach wysokie temperatury powietrza oraz susza może umożliwić wyselekcjonowanie ze zgromadzonej kolekcji genotypów w większym stopniu tolerancyjnych na przedstawione powyżej niekorzystne warunki środowiskowe.

• Spośród analizowanych genotypów G. max sprowadzonych z USA i Kanady obserwowany największą liczbę genotypów wczesnych, mających jednocześnie inne korzystne cechy i mogące stanowić cenny materiał wyjściowy do hodowli soi w Polsce: PI 372411, PI 194644, PI 194633, PI 546050, PI 546046, PI445791 i PI257430.

• Genotypy otrzymane z banku genów z Japonii, jako genotypy o bardzo krótkim okresie wegetacji charakteryzowały się bardzo zróżnicowanym okresem wegetacji i wykazały silną reakcję fotoperiodyczną na zmianę długości dnia (21 genotypów nie dojrzało). Genotypy o tak długim okresie wegetacji nie są przydatne do prac hodowlanych w warunkach Polski. Wiele genotypów, w tym wcześniejsze, odznaczała się dużą MTN i mogą stanowić materiał wyjściowy do poprawienia tej cechy w odmianach polskich.

• Powtarzające się w ostatnich latach wysokie temperatury powietrza oraz susza może umożliwić wyselekcjonowanie ze zgromadzonej kolekcji genotypów w większym stopniu tolerancyjnych na przedstawione powyżej niekorzystne warunki środowiskowe.

• Z 35 genotypów G. soja 19 charakteryzowało się krótkim okresem wegetacji wynoszącym do 130 dni, a 3 z nich miały wysoką liczbą nasion z rośliny (ponad 300) oraz masę nasion z rośliny wynoszącą ponad 40g. Z tych genotypów wybrano 5 do obserwacji kwitnienia, a z jednym otrzymano mieszańce międzygatunkowe.

Wnioski Temat badawczy 1

(8)

Wyniki i wnioski

Temat badawczy 2

1. Obserwacje przebiegu kwitnienia, pękania pylników i kiełkowania łagiewek pyłkowych wykazały, że kastrowaniekwiatów soi powinno się przeprowadzać w godzinach rannych, najlepiej od 6:00 do 9:00.

2. Ostatecznie efektywność krzyżowania okazała się większa w warunkach polowych i przypadku kastrowania kwiatów oraz zapylania ich pyłkiem z kwiatów pobranych uprzednio do eksykatora, jednak była bardzo niska – 3,6%..

3. W pokoleniach mieszańcowych F₂ – F₅ obserwowano silną segregację pod względem wszystkich obserwowanych cech. Większość roślin charakteryzowała się cechami dzikiego rodzica G. soja:

niezdeterminowanym typem, bardzo długim okresem wegetacji i małymi nasionami. Wyselekcjonowano segreganty korzystne z punktu widzenia celów hodowli soi w Polsce: rośliny wysokie, wysoko zawiązujące I strąk, zawiązujące dużą liczbę strąków i nasion z rośliny, rośliny, z których zebrano dużą masę nasion i rośliny o dużej MTN. Zakres zmienności cech roślin mieszańcowych był większy niż zakres zmienności cech u zgromadzonych genotypów kolekcyjnych. Duża liczba segregantów z potomstw z kombinacjikrzyżowania Mavka x PI507825, może stanowić cenny materiał wyjściowy do dalszej hodowli.

Pokolenie Zakres Wysokość roślin (cm)

Wysokość osadzenia I strąka

(cm)

Liczba strąków z rośliny

Liczba nasion

z rośliny

strąku

Masa nasion z

rośliny (g)

MTN (g)

F₂ ^Min ³⁶ ⁴ ⁰ ² ¹⁴ ¹⁹ ^1,4 ^51,9

Max 215 20 22 9 472 599 79,9 176,8

F₃ ^Min ⁴⁸ ² ⁰ ³ ⁴ ⁴ ^0,24 ^43,6

Max 210 34 20 16 446 1431 119,3 198,5

F₄ ^Min ²⁵ ² ² ³⁹ ⁷⁰ ^0,9 ^11,9 ^60,4

Max 174 22 13 796 1435 2,5 139,5 269,6

F₅ ^Min ^17,0 ^1,0 ^1,0 ^2,0 ^8,0 ^16,0 ^0,3 ^18,8

Max 123,0 15,0 14,0 16,0 458,0 800,0 83,5 264,0

Zakres zmienności cech morfologicznych i cech komponentów plony roślin pokolenia F

₂

-F

₅

kombinacji krzyżowania międzygatunkowego Glycine max x Glycine soja Mavka x PI507825

(9)

Kontynuacja badań w projektach badawczych w ramach dotacji na pokrycie kosztów wykonania badań odstawowych na rzecz postępu biologicznego w produkcji roślinnej

„Analiza molekularna układów allelicznych genów wczesności oraz

opracowanie i identyfikacja markerów funkcjonalnych dla genów determinacji pędu, pękania strąków, cech plonotwórczych i jakościowych nasion soi”

• Zgromadzono największą w Polsce kolekcję genotypów soi – 500 genotypów

• Wyselekcjonowano genotypy, które w warunkach klimatycznych Polski mogą stanowić materiał wyjściowy do hodowli nowych odmian

• Wybrane genotypy zostały włączone do programu krzyżowania w Hodowli Roślin DANKO Sp. z. o. o.

• Opracowano metodykę krzyżowania międzygatunkowego dzięki której otrzymano mieszańce międzygatunkowe G. max x G.soja, które znacznie poszerzyły zmienność materiałów wyjściowych do hodowli

Osiągnięcia projektu

• Dzięki zgromadzonym w zadaniu nr 43 latach 2014-2017 genotypom (250), jest realizowane zadanie nr 105 pt.

„Identyfikacja układów allelicznych genów fotoneutralności i wczesności oraz opracowanie metodyki otrzymywania roślin homozygotycznych u soi”

• Wybranych 300 genotypów (ze zgromadzonych 500) będzie stanowiło materiał roślinny do badań w nowym zadaniu nr 20 na lata 2021-2027

Osiągnięcia

(10)

1. Nawracała J., Kurasiak-Popowska D., Siatkowski I., Szabelska A. 2016. Analiza zmienności genotypów kolekcyjnych soi pod kątem ich przydatności do hodowli w warunkach Polski. Konferencja „ Nowe osiągnięcia polskich zespołów badawczych w dziedzinie genetyki, hodowli i biotechnologii roślin” Międzyzdroje 8-10.06.2016 2. Nawracała J. Kurasiak-Popowska D. Gromadzenie zasobów genowych soi

przydatnych do hodowli w warunkach środowiskowych Polski. 2018. Konferencja Naukowa „Charakterystyka zasobów genowych dla hodowli roślin” Karpacz 18-21 września 2018 r. Biuletyn IHAR Nr 283/2018: 27-28.

3. Nawracała J. Kurasiak-Popowska D. 2018. Problemy krzyżowania międzygatunkowego soi Glycine max × G. soja. Ogólnopolska Konferencja Naukowa „Genetyka, hodowla i biotechnologia roślin – osiągnięcia, wyzwania, perspektywy” Lublin, 25 – 27 czerwiec 2018.