Генетическое улучшение показателей урожайности и качества зерна у сортов мягкой пшеницы, созданных в Марокко за 40 лет селекции

Актуальность. Анализ наследственных изменений важнейших агрономических показателей в определенные периоды необходим для оценки и улучшения селекционных программ основных культур, включая мягкую пшеницу.

Материалы и методы. Для оценки генетического эффекта селекции в Марокко получены и проанализированы данные по урожайности (GY) и содержанию белка в зерне (GPC) у 20 сортов мягкой пшеницы, созданных в период с 1980 по 2022 г., при выращивании в поле в 12 пунктах.

Результаты и обсуждение. Дисперсинный анализ показал высокозначимое влияние на изучаемые показатели факторов среды (E), генотипа (G) и значимое влияние их взаимодействия G × E (P < 0,001). По результатам анализа стабильности созданные за два последних десятилетия (2002–2012 и 2013–2022 гг.) сорта характеризуется наивысшими показателями изучаемых признаков и их большей стабильностью по сравнению с ранее созданными сортами, особенно в неурожайные годы. За 40 лет генетический эффект (GG) для урожайности семян (GY) составил 21,4 кг/га за каждый год (0,75% в год). Этот эффект со временем снижался, варьируя в пределах от 11% (с 1980–1990 по 1991–2001 гг.) до менее чем 7% (с 2002–2012 по 2013–2022 гг.). Генетический эффект в низко- и среднеурожайных условиях был наиболее выражен (17,34% и 6,88% за год соответственно) и оказался незначимым в высокоурожайных условиях (4,62% за год). За тот же период показатель GPC показал статистически незначимое снижение: –0,007% (–0,002% за год), в то время как показатели, производные от GY и GPC, указывали на высокий положительный генетический эффект селекции. Следует приложить больше усилий для достижения хорошего баланса между урожайностью и качеством семян новых сортов, учитывая отрицательную корреляцию между этими двумя признаками (r = –0,36; P < 0,001).

Заключение. Внедрение передовых технологий, таких как геномная селекция, соответствующая агротехника и более эффективные критерии отбора способны в будущем обеспечить одновременное повышение урожайности зерна и его качества.

1. Bassi F.M., Sanchez-Garcia M. Adaptation and stability analysis of ICARDA durum wheat elites across 18 countries. Crop Science. 2017;57(5):2419-2430. DOI: 10.2135/cropsci2016.11.0916

2. Bennani S., Taghouti M., Birouk A. Response of spring bread wheat quality and yield parameters to different drought scenarios under Moroccan conditions. In: Book of Proceedings. IX International Agricultural Symposium “Agrosym 2018”; Jahorina; October 04–07, 2018. Sarajevo; 2018. p.940-945. Available from: http://agrosym.ues.rs.ba/article/showpdf/BOOK_OF_PROCEEDINGS_2018_FINAL.pdf [accessed Dec. 08, 2022].

3. Bogard M., Allard V., Brancourt-Hulmel M., Heumez E., Machet J.M., Jeuffroy M.H. et al. Deviation from the grain protein concentration–grain yield negative relationship is highly correlated to post-anthesis N uptake in winter wheat. Journal of Experimental Botany. 2010;61(15):4303-4312. DOI: 10.1093/jxb/erq238

4. Brancourt-Hulmel M., Doussinault G., Lecomte C., Bérard P., Le Buanec B., Trottet M. Genetic improvement of agronomic traits of winter wheat cultivars released in France from 1946 to 1992. Crop Science. 2003;43(1):37-45. DOI: 10.2135/cropsci2003.3700

5. Cobb J.N., Juma R.U., Biswas P.S., Arbelaez J.D., Rutkoski J., Atlin G. et al. Enhancing the rate of genetic gain in public-sector plant breeding programs: lessons from the breeder’s equation. Theoretical and Applied Genetics. 2019;132(3):627-645. DOI: 10.1007/s00122-019-03317-0

6. Geyer M., Mohler V., Hartl L. Genetics of the inverse relationship between grain yield and grain protein content in common wheat. Plants. 2022;11(16):2146. DOI: 10.3390/plants11162146

7. Giancaspro A, Giove S.L., Zacheo S.A., Blanco A., Gadaleta A. Genetic variation for protein content and yield-related traits in a durum population derived from an inter-specific cross between hexaploid and tetraploid wheat cultivars. Frontiers in Plant Science. 2019;10:1509. DOI: 10.3389/fpls.2019.01509

8. Guzmán C., Mondal S., Govindan V., Autrique J.E., PosadasRomano G., Cervantes F. et al. Use of rapid tests to predict quality traits of CIMMYT bread wheat genotypes grown under different environments. LWT – Food Science and Technology. 2016;69:327-333. DOI: 10.1016/j.lwt.2016.01.068

9. Hu N., Du C., Zhang W., Liu Y., Zhang Y., Zhao Z. et al. Did wheat breeding simultaneously improve grain yield and quality of wheat cultivars releasing over the past 20 years in China. Agronomy. 2022;12(9):2109. DOI: 10.3390/agronomy12092109

10. Iqbal M., Moakhar N.P., Strenzke K., Haile T., Pozniak C., Hucl P. et al. Genetic improvement in grain yield and other traits of wheat grown in Western Canada. Crop Science. 2016;56(2):613-624. DOI: 10.2135/cropsci2015.06.0348

11. Jlibene M. Options génétiques d’adaptation du blé tendre au changement climatique: variétés à résistance multiple: sécheresse, cécidomyie, septoriose, rouilles. Rabat: INRA; 2011.

12. Koekemoer F.P., Labuschagne M.T., Van Deventer C.S. A selection strategy for combining high grain yield and high protein content in South African wheat cultivars. Cereal Research Communications. 1999;27(1-2):107-114. Available from: https://www.jstor.org/stable/23786273 [accessed Nov. 17, 2022].

13. Laidig F., Piepho H., Rentel D., Drobek T., Meyer U., Huesken A. Breeding progress, environmental variation and correlation of winter wheat yield and quality traits in German official variety trials and on-farm during 1983–2014. Theoretical and Applied Genetics. 2017;130(1):223-245. DOI: 10.1007/s00122-016-2810-3

14. Leigh F.J., Wright T.I.C., Horsnell R.A., Dyer S., Bentley A.R. Progenitor species hold untapped diversity for potential climate-responsive traits for use in wheat breeding and crop improvement. Heredity. 2022;128:291-303. DOI: 10.1038/s41437-022-00527-z

15. Lin C.S., Binns M.R. A superiority measure of cultivar performance for cultivar × location data. Canadian Journal of Plant Science. 1998;68(1):193-198. DOI: 10.4141/cjps88-018

16. Lo Valvo P.J., Miralles D.J., Serrago R.A. Genetic progress in Argentine bread wheat varieties released between 1918 and 2011: Changes in physiological and numerical yield components. Field Crop Research. 2018;221:314-321. DOI: 10.1016/j.fcr.2017.08.014

17. Monaghan J., Snape J., Chojecki A.J.S., Kettlewell P.S. The use of grain protein deviation for identifying wheat cultivars with high grain protein concentration and yield. Euphytica. 2001;122(2):309-317. DOI: 10.1023/A:1012961703208

18. Munier-Jolain N.G., Salon C. Are the carbon costs of seed production related to the quantitative and qualitative performance? An appraisal for legumes and other crops. Plant, Cell and Environment. 2005;28(11):1388-1395. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2005.01371.x

19. Oury F.X., Godin C. Yield and grain protein concentration in bread wheat: How to use the negative relationship between the two characters to identify favourable genotypes? Euphytica. 2007;157(1):45-57. DOI: 10.1007/s10681-007-9395-5

20. Özturk A., Aydin F. Effect of water stress at various growth stages on some quality characteristics of winter wheat. Journal of Agronomy and Crop Science. 2004;190(2):93-99. DOI: 10.1046/j.1439-037X.2003.00080.x

21. Rapp M., Lein V., Lacoudre F., Lafferty J., Müller E., Vida G. et al. Simultaneous improvement of grain yield and protein content in durum wheat by different phenotypic indices and genomic selection. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131(6):1315-1329. DOI: 10.1007/s00122-018-3080-z

22. Rife T.W., Graybosch R.A., Poland J.A. A field-based analysis of genetic improvement for grain yield in winter wheat cultivars feveloped in the US Central Plains from 1992 to 2014. Crop Science. 2019;59(3):905-910. DOI: 10.2135/cropsci2018.01.0073

23. Sanchez-Garcia M., Royo C., Aparicio N., Martín-Sánchez J.A., Alvaro F. Genetic improvement of bread wheat yield and associated traits in Spain during the 20th century. The Journal of Agricultural Science. 2013;151(1):105-118. DOI: 10.1017/S0021859612000330

24. Tadesse W., Sanchez-Garcia M., Assefa S.G., Amri A., Bishaw Z., Ogbonnaya F.C. et al. Genetic gains in wheat breeding and its role in feeding the world. Crop Breeding, Genetics and Genomics. 2019;1:e190005. DOI: 10.20900/cbgg20190005

25. Verner D., Tréguer D., Redwood J., Christensen J., McDonnell R., Elbert C. et al. Climate variability, drought, and drought management in Morocco’s agricultural sector. Washington DC: World Bank Group; 2018. Available from: https://documents1.worldbank.org/curated/en/353801538414553978/pdf/130404-WP-P159851-Morocco-WEB.pdf [accessed Dec. 08, 2022].

26. Woyann L.G., Zdziarski A.D., Zanella R., Rosa A.C, Lima de Castro R., Caierão E. et al. Genetic gain over 30 years of spring wheat breeding in Brazil. Crop Science. 2019;59(5):2036-2045. DOI: 10.2135/cropsci2019.02.0136

27. Yan W., Hunt L.A., Sheng Q., Szlavnics Z. Cultivar evaluation and mega-environment investigation based on GGE biplot. Crop Science. 2000;40(3):596-605. DOI: 10.2135/cropsci2000.403597x