Lobnya, Moscow, Russian Federation
In order to create alfalfa varieties with high adaptive capacity and promote their cultivation to the North, a biotechnology of coordinated plant-microbial symbiotic selection was developed to create varieties with increased symbiotic efficiency that can grow on uncultured and medium-cultivated, acidic soils. Using this biotechnology, the variety of alfalfa variable Taisia was created and in 2015 was included in the State register of breeding achievements that were allowed to be used. The variety is recommended for cultivation in the North-Western, Central and Volga-Vyatka regions. When growing the traditional method cultivated (without pre-inoculated seed) on medium soil the yield of dry matter in the North-West region was in the range of 6.8–16.0 t/ha, in the Central of 5.6–14.2 t/ha, Volga-Vyatka – 8.4–20.0 t/ha. Pre-sowing inoculation of seeds with complementary strains of nodule bacteria increased the yield of green mass in the North-Western region by 30–177%, in the Central region – by 45–102%. On uncultivated acidic soil (pH 4.6), where alfalfa was not previously grown, without inoculation, the yield of Taisia was 1.85 t/ha of dry matter and 42 kg/ha of seeds. Inoculation with a production strain of nodule bacteria 412b increased the yield to 4.65 t/ha of dry matter and 114 kg/ha of seeds. The efficiency of the symbiosis was 151 and 171%, respectively. Inoculation with a complementary strain of nodule bacteria RCAM 1774 increased the collection of dry matter by 4 times to 9.2 t/ha, seeds – by 8.9 times to 372 kg/ha.
alfalfa, Taisia variety, nodule bacteria, coordinated plant-microbial selection, dry matter, adaptive capacity
Введение. Люцерна является основной и наиболее ценной кормовой культурой во всем мире из-за ее высокой урожайности, питательности, способности адаптироваться к различным условиям возделывания. Растения люцерны фиксируют 150–300 кг азота воздуха на гектар посевов, что позволяет значительно сократить или полностью отказаться от внесения минеральных азотных удобрений. Посевы люцерны защищают почву от водной и ветровой эрозии, понижают уровень грунтовых вод, препятствуют засолению и закислению почвы, обладают рядом других почвообразующих и экологических свойств. Люцерну используют также в пищевом, фармацевтическом и косметическом производствах.
Люцерну возделывают более чем в 80 странах мира на площади, превышающей 80 млн га, в том числе в странах бывшего СССР — 5,2 млн га, в России — 2,8 млн га [1].
Благодаря успехам селекции, в настоящее время в России люцерну выращивают от южных границ до Заполярья. Но еще совсем недавно люцерна считалась новой кормовой культурой Нечерноземной зоны России. Северная граница ее возделывания проходила на широте Киева. Первый сорт люцерны изменчивой, созданный во ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса, Северная гибридная 69 районирован в Нечерноземной зоне России в 1956 г. [2]. Следующий сорт люцерны изменчивой — Вега 87, районированный в Нечерноземной зоне в 1988 г., был также создан во ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса. Начиная с 1993 г. по настоящее время в Северо-Западном (2), Центральном (3) и Волго-Вятском (4) регионах районировано 22 сорта люцерны изменчивой отечественной селекции, одним из которых является сорт Таисия, а также два сорта люцерны синей и три сорта люцерны желтой. Из 22 сортов люцерны изменчивой 10 сортов созданы во ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса (ныне ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса»). Кроме сортов отечественной селекции, в Нечерноземной зоне районировано два сорта люцерны изменчивой и 14 сортов люцерны синей зарубежной селекции [3–5].
Цель исследований — разработка способа сопряженной растительно-микробной симбиотической селекции для создания сортов кормовых культур с повышенной эффективностью симбиоза и адаптивной способностью.
Методика создания сортов с высокой адаптивной и симбиотической способностью. Сорт люцерны изменчивой Таисия создан для использования на неокультуренных и среднеокультуренных, средне- и слабокислых почвах Нечерноземной зоны с использованием биотехнологии сопряженной симбиотической селекции. Это новое направление селекции кормовых культур, которое реализуется путем одновременной, координированной (сопряженной) селекции растений и штаммов микроорганизмов с последующим их объединением в одной растительно-микробной симбиотической системе.
Симбиотические взаимодействия расширяют возможности растений к адаптации и проявлению хозяйственно ценных признаков на более высоком уровне.
Основной особенностью новой биотехнологии сопряженной симбиотической селекции является то, что формирование и отбор родительских генотипов люцерны и штамма микроорганизма проводим на специальном селективном фоне. Фон создаем настолько жестким, чтобы при выращивании на нем люцерны из исходной популяции выделялось не более 0,1% растений люцерны, обладающих высокой адаптивной способностью к эдафическим и погодным стрессорам, за счет образования высокоэффективного растительно-микробного симбиоза со штаммами ризобий, обладающими повышенной устойчивостью к этим стрессорам. Семена перед посевом инокулируем штаммами ризобий, отличающимися высокой устойчивостью к стрессовым эдафическим факторам (высокая почвенная кислотность, избыточное увлажнение почвы) [6; 7].
Вышеназванная биотехнология в 2014 г. награждена Серебряной медалью Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (рис. 1).
Рис. 1. Серебряная медаль и Диплом агропромышленной выставки «Золотая осень»
за разработку биотехнологии сопряженной симбиотической
растительно-микробной селекции
С использованием биотехнологии сопряженной растительно-микробной селекции созданы сорта люцерны изменчивой Агния и Таисия, а также сорт овсяницы красной жесткой Дипа. Новые сорта отличаются от сортов, созданных традиционными методами, высокой адаптивной способностью к абиотическим и биотическим стрессорам, а также повышенным уровнем симбиотической азотфиксации. Вышеназванные сорта включены в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в 2012, 2015 и 2016 гг.
Сорт Таисия получен от скрещивания двух растений, отобранных с использованием биотехнологии сопряженной селекции. Одно растение имело сиреневые цветки, другое — желтые. В качестве материнской формы использовано растение с желтыми цветками (рис. 2).
а) материнское растение
б) отцовское растение
Рис. 2. Родительские формы люцерны изменчивой сорта Таисия
Материнское растение было выше среднего, имело тонкие стебли, склонные к полеганию, среднюю кустистость и среднюю облиственность. Высота отцовского растения была ниже средней, кустистость и облиственность высокие, междоузлия короткие, стебли толстые. Форма куста близкая к прямостоячей. Растение отличалось высокой устойчивостью к полеганию. Гибридные растения, полученные от скрещивания вышепоказанных родителей, имели окраску венчика от белой до темно-фиолетовой. Преобладали растения с сиреневыми цветками (55–60%), частота встречаемости растений с пестрыми цветками была в пределах 30–35%, доля растений с желтыми цветками была небольшой (5–15%).
Формирование селекционного материала шло на кислых почвах (рН 4,4–4,8) при инокуляции активными штаммами клубеньковых бактерий, созданными в НИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург). Была сформирована новая гибридная популяция растений люцерны с высокой отзывчивостью на предпосевную инокуляцию штаммом ризобий RCAM 1774, которая на 15–40% повышала урожайность люцерны при возделывании на окультуренной почве и в 1,5–3 раза на неокультуренной кислой почве. При традиционном способе выращивания, без предпосевной инокуляции, новая популяция по урожайности кормовой массы находилась на уровне сортов-стандартов, а по устойчивости к неблагоприятным почвенным условиям и урожайности семян существенно их превосходила [8].
В 2012 г. новая гибридная популяция передана в Государственное сортоиспытание под названием сорт Таисия. В 2015 г. сорт допущен к выращиванию в Северо-Западном и Центральном регионах, а в 2017 г. — Волго-Вятском [9].
Впервые в России в 2017 г. была подана заявка на регистрацию сорто-микробной системы: штамм ризобий RCAM 1774 и сорт люцерны изменчивой Таисия. В 2020 г. получен патент на сорто-микробную систему [10] (рис. 3).
Рис. 3. Патенты на сорт Таисия и сорто-микробную симбиотическую систему —
штамм клубеньковых бактерий RCAM 1774 и люцерну изменчивую сорта Таисия
Результаты испытания сорта Таисия. Отличительной особенностью сорта является то, что первыми в популяции начинают цвести растения с сиреневыми цветками. Эти растения более высокие, полупрямостоячей фор-мы, с повышенной степенью кустистости и ветвистости по сравнению с другими растениями популяции. Они отличаются более длительным периодом цветения: первыми начинают цвести и последними заканчивают. Растения с пестрыми и желтыми цветками вступают в фазу массового цветения на 10–15 дней позднее растений с сиреневыми цветками. Эти растения уступают растениям с сиреневыми цветками по высоте, кустистости, ветвистости, урожайности зеленой массы и семян, но превосходят их по устойчивости к неблагоприятным условиям возделывания (зимостойкости, устойчивости к почвенной кислотности, дефициту и избытку влаги).
Первые 7–10 дней после начала цветения травостой люцерны сорта Таисия имеет сиреневые цветки, через 15–20 дней после начала цветения травостой становится пестроцветковым (рис. 4).
а) Начало цветения люцерны изменчивой сорта Таисия
б) Полное цветение растений люцерны изменчивой сорта Таисия
Рис. 4. Цветущий травостой люцерны изменчивой сорта Таисия
Причем при благоприятных условиях роста и развития соцветия крупные, цилиндрической формы, с яркой и очень пестрой окраской. В условиях дефицита или избытка влаги, на низкоплодородной почве формируются шаровидные мелкие соцветия с тусклой окраской, преимущественно бледно-сиреневого или бледно-желтого цвета.
Созданный с использованием вышеназванного способа сорт люцерны Таисия в 2009–2017 гг. испытывали на средне окультуренной и неокультуренной почве. При традиционной технологии возделывания (без инокуляции) на средне окультуренной почве урожайность сорта Таисия, созданного методами сопряженной селекции, и сорта-стандарта Пастбищная 88 была близкой (12,3 и 11,4 т/га сухого вещества). Инокуляция штаммом ризобий 404б повысила урожайность сорта Таисия на 39%, а сорта Пастбищная 88 — на 17%. Содержание сырого протеина в сухом веществе нового сорта люцерны составило 21,6%, у стандарта — 20,5%. Инокуляция высокоэффективным штаммом ризобий 404б повысила содержание протеина соответственно до 22,3 и 21,4%, а сбор протеина в среднем за год составил 3,66 и 2,85 т/га.
На неокультуренной, кислой почве (рН 4,6), где люцерну прежде не выращивали, урожайность сорта Таисия в контроле составила 1,85 т/га сухого вещества и 42 кг/га семян. Инокуляция производственным штаммом ризобий 412б позволила получить 4,65 т/га сухого вещества и 114 кг/га семян. Эффективность симбиоза составила 151 и 171% соответственно. Инокуляция новым штаммом ризобий RСAM 1774 повысила сбор сухого вещества в 4 раза, до 9,2 т/га, семян — в 8,9 раза, до 372 кг/га [11].
По данным Государственной комиссии по сортоиспытанию селекционных достижений, растения люцерны сорта Таисия весной средней высоты, куст полупрямостоячий. Время начала цветения среднее. Стебель при полном цветении средней длины. Содержание белка — 18,1–18,9% (на уровне стандарта Селена).
Средняя урожайность в Северо-Западном регионе — 6,8 т/га сухого вещества, максимальная — 16,0 т/га, на 0,3 т/га выше среднего стандарта. В Центральном регионе средняя урожайность составила 5,6 т/га, что на 0,4 т/га выше среднего стандарта, максимальная — 14,2 т/га, на 0,3 т/га выше стандарта. В Волго-Вятском регионе средняя урожайность сухого вещества — 8,4 т/га, на 0,2 т/га выше среднего стандарта, максимальная — 20,0 т/га, на 1,3 т/га выше стандарта Изумруда. Сорт Таисия включен в Госреестр по Северо-Западному (2), Центральному (3) и Волго-Вятскому (4) регионам [3].
В системе Географической сети оценки биопрепаратов ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург) проанализированы результаты испытания сортов люцерны изменчивой селекции ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса», созданных методами традиционной и сопряженной симбиотической селекции в различных регионах России. Впервые показано, что сорто-микробные системы на основе новых сортов обладают повышенной адаптивностью, а потенциал повышения прибавок урожая для них существенно превышает 50%.
Установлено, что в Центральном регионе предпосевная инокуляция семян сорта Таисия активными штаммами ризобий А2-А6, созданными в НИИ сельскохозяйственной микробиологии, повышала урожайность зеленой массы и сухого вещества на 45–102%, а в Северо-Западном — на 30–177%. Впервые представленные результаты оценки урожайности сорто-микробных систем, выращиваемых в различных природно-климатических условиях России, наглядно доказывают необходимость широкого внедрения метода сопряженной симбиотической селекции для создания новых хозяйственно ценных сортов бобовых трав, необходимых для формирования устойчивой кормовой базы [12].
Хозяйственную ценность нового сорта люцерны изменчивой изучали как в ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса», так и в других учреждениях.
По данным испытаний, проведенных в 2011–2014 гг. в лаборатории селекционных симбиотических технологий ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса», установлено, что люцерна изменчивая сорта Таисия характеризуется повышенной адаптивной способностью к абиотическим стрессовым факторам, длительным продуктивным долголетием (до 8 лет), высокой зимостойкостью (98%), устойчивостью к краткосрочному затоплению. Урожайность сухого вещества — 11,5–12,0 т/га, семян — 400–850 кг/га [13].
Исследования, проведенные в 2012–2015 гг. на полевой опытной станции РГАУ–МСХА имени К.А. Тимирязева, выявили, что сорт Таисия является наиболее урожайным и накапливает больше биологического азота в надземной биомассе и корнях по сравнению с другими сортами люцерны изменчивой селекции ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса. Урожайность сухого вещества сорта Таисия в среднем за четыре года исследований составила 5,01 т/га, у сортов Пастбищная 88 и Агния — 4,21 и 4,72 т/га. Накопление биологического азота в надземной части растений сорта Таисия достигало 98,5 кг/га за сезон, в корнях (в горизонте 0–20 см) — 71,3 кг/га. Соответствующие показатели сортов Пастбищная 88 и Агния были 77,9 и 77,2 кг/га, а также 65,6 и 69,6 кг/га [14].
В Новгородском НИИСХ в 2015–2017 гг. испытывали сорта люцерны изменчивой Таисия и Находка при инокуляции десятью штаммами клубеньковых бактерий, полученными из ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии. При традиционном способе выращивания в среднем за три года пользования урожайность зеленой массы сорта Таисия составила 17,9 т/га, сорта Находка — 18,3 т/га. Для обоих сортов наиболее комплементарным оказался штамм 404б. Инокуляция семян сорта Таисия этим штаммом повысила урожайность до 36,1 т/га (+102%), а сорта Находка — до 31,4% (+72%). Следовательно, сорт, созданный методом сопряженной растительно-микробной селекции более отзывчив на предпосевную инокуляцию [15].
В Архангельской области, благодаря успехам селекции, в настоящее время люцерна изменчивая возделывается в травосмесях с овсяницей луговой, тимофеевкой луговой, кострецом безостым и козлятником восточным. Урожайность зеленой массы при использовании данных травосмесей за два укоса достигает 50 т/га. Установлено, что в условиях Архангельской области люцерна отличается устойчивостью к длительным периодам атмосферной засухи, формирует высокий урожай без внесения азотных удобрений за счет симбиотической азотфиксации. В травосмесях на одном месте произрастает до 6 лет. Наиболее высокую эффективность в производстве показали сорта Сарга, Таисия, Вега 87. В настоящее время люцерна изменчивая успешно выращивается в ряде сельскохозяйственных предприятий области [16].
Заключение. Сорт люцерны изменчивой Таисия создан с использованием биотехнологии сопряженной симбиотической растительно-микробной селекции для возделывания на неокультуренных и средне окультуренных, кислых почвах Нечерноземной зоны России. Урожайность сухого вещества при традиционном способе выращивания (без предпосевной инокуляции), в зависимости от плодородия почвы, года и места выращивания, в среднем за 8 лет испытаний составила в Северо-Западном регионе 6,8–17,0 т/га, в Центральном — 7,7–14,2 т/га. Предпосевная инокуляция семян комплементарными штаммами клубеньковых бактерий повышала урожайность зеленой массы в Северо-Западном регионе на 30–177%, в Центральном — на 45–102%.
1. Klyukin N.Yu., Gutnikov V.A. Dinamika sel'skohozyaystvennyh resursov mira // Gosudarst-vennoe upravlenie. Elektronnyy vestnik. – M. : Fakul'tet Gos. upravleniya MGU im. M.V. Lomonosova. – Oktyabr' 2017. – Vyp. № 64. – S. 159–176.
2. Konstantinova A.M. Selekciya i semenovodstvo mnogoletnih trav. – M. : Sel'hozgiz, 1960. – 387 s.
3. Gosudarstvennyy reestr selekcionnyh dostizheniy, dopuschennyh k ispol'zovaniyu (sorta rasteniy). Sorta kul'tury «Lyucerna izmenchivaya» [Elektronnyy resurs]. – Rezhim dostupa: http://reestr.gossortrf.ru/reestr/culture/607.html (data obrascheniya: 15.06.2020).
4. Gosudarstvennyy reestr selekcionnyh dostizheniy, dopuschennyh k ispol'zovaniyu (sorta rasteniy). Sorta kul'tury «Lyucerna zheltaya» [Elektronnyy resurs]. – Rezhim dostupa: http://reestr.gossortrf.ru/reestr/culture/608.html (data obrascheniya: 15.06.2020).
5. Gosudarstvennyy reestr selekcionnyh dostizheniy, dopuschennyh k ispol'zovaniyu (sorta rasteniy). Sorta kul'tury «Lyucerna sinyaya» [Elektronnyy resurs]. – Rezhim dostupa: http://reestr.gossortrf.ru/reestr/culture/609.html (data obrascheniya: 15.06.2020).
6. Stepanova G.V. Sozdanie sortov lyucerny izmenchivoy novogo pokoleniya s vysokoy azotfik-siruyuschey sposobnost'yu // Materialy HHII mezhdunar. simpoziuma «Ohrana bio-noosfery. Eniologiya. Netradicionnoe rastenievodstvo. Ekologiya i medicina». – Alushta : Forma, 2013. – S. 240–243.
7. Stepanova G.V. Metody i rezul'taty sopryazhennoy simbioticheskoy selekcii lyucerny // Me-tody i tehnologii v selekcii rasteniy i rastenievodstve : materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. – Kirov, 2015. – S. 230–234.
8. Stepanova G.V., Zolotarev V.N. Biotehnologiya sopryazhennoy selekcii lyucerny na povyshenie adaptivnoy sposobnosti [Elektronnyy resurs] // Adaptivnoe kormoproizvodstvo. – 2015. – № 1. – S. 28–38. URL: http://www.adaptagro.ru/
9. Patent na izobretenie RU 8017. Zayavka № 8853625 ot 22.11.2011. Lyucerna izmenchivaya Medi-cago sativa L. nothosubsp. varia (Martyn) Arcang. Taisiya / Zolotarev V.N., Klyacov S.V., Rumyan-ceva M.L., Stepanova G.V.
10. Patent na izobretenie RU 2699526 C2, 05.09.2019. Zayavka № 2017131488 ot 07.09.2017. Sorto-mikrobnaya simbioticheskaya sistema – shtamm kluben'kovyh bakteriy Sinorhizobium meliloti RCAM 1774 i lyucerny izmenchivoy sorta Taisiya / Simarov B.V., Rumyanceva M.L., Muntyan V.S., Kozhemyakov A.P., Laktionov Yu.V., Stepanova G.V.
11. Stepanova G.V. Novye metody i rezul'taty sopryazhennoy selekcii lyucerny izmenchivoy // Aktual'nye problemy agronomii sovremennoy Rossii i puti ih resheniya : materialy Mezh-dunar. nauch.-prakt. konferencii, posvyaschennoy 105-letiyu fakul'teta agronomii, agrohimii i ekologii. – Voronezh : Voronezhskiy GAU im. Imperatora Petra I, 2018. – S. 247–254.
12. Vysokoeffektivnye shtammy kluben'kovyh bakteriy lyucerny (Medicago varia L.): moleku-lyarno-geneticheskaya harakteristika i ispol'zovanie v sopryazhennoy selekcii / M.L. Rumyance-va, M.E. Vladimirova, V.S. Muntyan, G.V. Stepanova, A.S. Saksaganskaya, A.P. Kozhemyakov, A.G. Orlova, A. Becker, B.V. Simarov // Sel'skohozyaystvennaya biologiya. – 2019. – T. 54, № 6. – S. 1306–1323. DOI: 10.15389/agrobiology.2019.6.1306rus.
13. Kosolapov V.M., Pilipko S.V., Kostenko S.I. Novye sorta kormovyh kul'tur – zalog uspesh-nogo razvitiya kormoproizvodstva //Dostizheniya nauki i tehniki APK. – 2015. – T. 29, № 4. – S. 35–37.
14. Lazarev N.N., Pyatinskiy D.V. Produktivnoe dolgoletie novyh sortov lyucerny (Medicago sativa L.) pri intensivnom skashivanii // Izvestiya TSHA. – 2016. – Vyp. 5. – S. 39–54.
15. Degunova N.B., Shkodina E.P. Effektivnost' primeneniya shtammov kluben'kovyh bakteriy na lyucerne // Realizaciya metodologicheskih i metodicheskih idey professora B.A. Dospehova v sovershenstvovanii adaptivno-landshaftnyh sistem zemledeliya : materialy Mezhdunar. na-uch.-prakt. konf. (Kollektivnaya monografiya). – M. : Rossiyskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet – MSHA im. K.A. Timiryazeva, 2017. – S. 118–123.
16. Korelina V.A., Batakova O.B., Zobnina I.V. Introdukciya kormovyh kul'tur dlya rasshireniya vidovogo raznoobraziya, ukrepleniya kormovoy bazy zhivotnovodstva v usloviyah subarktiche-skoy zony Rossiyskoy Federacii // Effektivnoe zhivotnovodstvo. – 2018. – № 4 (143). – S. 32–35.
