С.В.Григорьев, к.с.-х.н., ведущий научный сотрудник, отдел ГР МПК

1. Конвергентная селекция конопли посевной Cannabis sativa и мексиканского хлопчатника Gossypium hirsutum для получения смешанных текстильных пряж С.В.Григорьев, к.с.-х.н., ведущий научный сотрудник, отдел ГР МПК

2. Актуальность исследований

3. Хлопок (переработанное волокно хлопчатника) и лубяное волокно (переработанное волокно льна, конопли) являются, в соответственной мере, основными натуральными волокнами для производства одежды в России. Статистически значимого выращивания хлопчатника в РФ нет несмотря на то, что волокна в России ежегодно используется около 300 тыс. тонн. Это самое востребованное промышленностью натуральное волокно и ввозится оно из-за рубежа практически полностью.

4. Рядом исследований (Герцог Р.О., 1931; Баженов В.И., 1972; Губина С.М., Стокозенко В.Г., 2001, 2002; Морыганов А.П., 2000) показано, что смеси из различного по природе текстильного сырья позволяют придать готовым изделиям наилучшие теплозащитные, гигроскопические, физико-мехаические свойства, пористость, снизить истирание, свойлачиваемость при стирке, усадку при валке и пр. Пряжа из смесей обладает лучшей прочностью и растяжимостью, а изделия из нее – хорошей несминаемостью и носкостью. Смешанные - с использованием волокна конопли и хлопка текстильные пряжи и вырабатываемые из них ткани, обладают существенными преимуществами перед однородными более высокой технологичностью их производства. Объединение в пряже различных по химическим, физико-механическим, геометрическим, волокон, таких как хлопок и лубяное волокно, в конечном итоге, придает готовому изделию палитру новых ценных потребительских качеств, гигиенических и эстетических свойств и широко практикуется в текстильном производстве.

6. 12…30 мкм 2 а) 1 3 б) Промышленные испытания на предприятиях показали (Губина С.М. и др., 2002), что вложение в многокомпонентую пряжу до 50% котонизированного (элементаризированного) лубяного волокна не требует существенных изменений в технологии прядения и беления. Поперечный разрез пучка до элементаризации и после (по Кокшарову С.А., 2009) Потери при переработке предлагаемого типа лубяных волокон в пряжи, составляют 10-20 % и являются в 3 раза более низкими. Выход в угары при выработке сопоставимы с потерями при прядении хлопка и составляют 9-13%. Процесс прядения стабилен – обрывистость на 30-40% ниже

7. Однако, в сравнении с другими натуральными волокнами, пенька имеет невысокую, сходную со стекловолокном эластичность (1,3%). Проблема создания качественной смешанной пряжи с волокном конопли состоит в необходимости преодоления высокой ломкости, грубости, эффективным, но управляемым процессом освобождения волокна от лигнина, разрушения пектинов и полисахаридов, которые соединяют эпидермис, колленхиму (костру), луб, и, частично, – склеивают элементарные волокна внутри пучков. Но при этом требуется сохранение прочности элементарного волокна. Разброс по длине прядомой пеньки должен быть значительно снижен и сведен к мажорантной группе 15-45 мм.

8. Конвергентная селекция конопли посевной Cannabis sativa и мексиканского хлопчатника Gossypium hirsutum для получения смешанных текстильных пряж

9. Конвергентная селекция - придание селекционно-генетическими методами условной сходности по некоторым хозяйственно-ценным признакам отдельным анатомо-морфологически различающимся частям различных растений которые неродственны в филогенетическом отношении с задачами приспособления их (частей) к одному способу промышленной переработки и использования (здесь – культур конопли и хлопчатника по геометрическим и физико-механическим параметрам элементарного волокна).

11. СТЕПЕНЬ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМ Разносторонние проблемы возделывания конопли на волокно и пищевое масло, средневолокнистого хлопчатника в России освещены достаточным числом публикаций. Однако работы были посвящены лишь одной из представляемых культур и совершенно не рассматривали смешанной переработки получаемого волокна, что диктуется современным развитием материаловедения текстильных производств. Несмотря на то, что элементаризация конопляного волокна для смешанных пряж с хлопком разработана и широко применяется в промышленности достаточно давно (Герцог Р.О., 1931; Гейзер О., 1932; Laue D., 1995; Sterk B., 1995),

12. селекционно-биологические проблемы создания специализированных в данной переработке волокна селекционных сортов конопли с качественным волокном текстильного направления, не исследованы в достаточной степени, или не разработаны совсем (Таракан Н.И., 1970; Вировец В.Г. и др., 1994; Пашин Е., 1990; Пявка И., Баранник В., 1990; Справочник коноплевода, 1994; Нимченко П.В., Сухорада Т.И. , 1996; Сухорада Т.И., 2005; Karus M., Leson G., 1995; Riddlestone S., 1995). Ранее не была разработана модель специализированного сорта конопли (полученире элементарного волокна), не определен список задач селекции, не был проведен скрининг генетического и селекционного материала.

13. Жирнокислотный состав масла конопли, состав и содержание основных каннабиноидов являются важнейшими признаками в селекционном улучшении культуры конопли на современном этапе (Горбачева Р.Г., 1980, Захароа Н.С., 1978). Однако достаточно объемной характеристики генетического и селекционного материала по этим признакам, в исследованной нами литературе, не обнаружено.

14. ЦЕЛЬ РАБОТЫ разработать стратегию и тактику проблемно ориентированной, конвергентной селекции конопли посевной (Cannabis sativa) и средневолокнистого хлопчатника(Gossypium hirsutum), создать для соответствующих зон РФ сорта конопли и хлопчатника для текстильного волокна и пищевого масла в соответствии с рекомендациями текстильного материаловедения (рис. 3), продвинутой промышленной переработки сырья и диетологии . Исследования конопли в зонах РФ от юга, до крайних северных земледельческих районов, помимо решения проблем сырья для текстильного и пищевого комплексов, имеют выраженную антинаркотическую цель. Проведено масштабное географическое исследование генофонда в роде Cannabis с целью выявления масштабов и экогеографических закономерностей варьирования содержания каннабиноидов в соцветий и качества масла , сбора генетически разнообразных образцов на большой территории

15. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ - Изучить основные биологические, эдафические, технологические и социальные факторы, лимиты и проблемы, определяющие развитие возделывания и переработки культур конопли и хлопчатника в РФ. - Составить список задач конвергентной селекции проблемно адаптированных сортов хлопчатника и конопли согласно требованиям переработки сырья. - Конкретизировать необходимые параметры для интродукции образцов культур, которые привлекаются на начальных этапах к скринингу. - Изучить генетическое разнообразие имеющегося коллекционного материала.

16. - Путем экспедиционных сборов, направленной интродукции, изучением в различных почвенно-климатических зонах РФ, гибридизацией и отбором создать генетическое разнообразие изучаемых образцов культур, сформировать признаковые (фенетические) коллекции, дать оценку селекционного потенциала. Характеризовать экспедиционно территорию России по распространенности растительных наркотических средств конопли, а также по качеству жирного масла. - Изучить генотипическую изменчивость образцов и установить взаимосвязь ее количественного выражения с эффективностью селекционного улучшения создаваемых на их основе линий. - Оценить эффективность межвидовой и сложной межсортовой гибридизации хлопчатника в создании продвинутого селекционного материала для реинтродукции культуры в зоны возделывания в РФ. - Изучить биологию переопыления культур и выработать методику сохранения генетической целостности и оригинальности их образцов при репродуцировании.

17. - Изучить наследование признака содержания тетрагидроканнабинола у конопли. - Исследовать влияние безнаркотической культивируемой конопли на возможности репродуктивного распространения высоконаркотичных форм , используемых в производстве марихуаны. - Изучить жирнокислотный состав конопляного масла и установить его биологические особенности в зависимости от зоны выращивания семян. - Изучить эффективность количественной оценки цвета волокна и других органов растений для изучения наследуемости, разделения паратипической и генотипической изменчивости в фенотипическом проявлении признаков, решения проблем инвентаризации и сохранения генотипической уникальности образцов.

18. - Создать продвинутый, адаптированный к почвенно-климатическим, технологическим и социальным условиям РФ, скороспелый, холодостойкий, продуктивный по прядомому волокну и пищевому маслу, не обладающий наркотической активностью селекционный материал, соответственно, конопли и хлопчатника для селекции. - Создать сорта конопли и хлопчатника на волокно – источник сырья для смешанных хлопко-конопляных пряж, сортов конопли зерно-масличного направления.

19. Объект и предмет исследований Объектом исследований являются виды и подвиды конопли посевной Cannabis sativa L. и средневолокнистого (мексиканского) хлопчатника Gossypium hirsutum L. - сельскохозяйственные культуры, волокно которых возглавляет и замыкает список натуральных волокон, используемых промышленностью: хлопчатник – как источник самого востребованного сырья (хлопка), конопля – как наименее используемое (пенька), но сохраняющего резервную перспективу в силу своих высокой урожайности и уникальности физико-механических свойств.

20. Предметом исследований являются хозяйственно-биологические признаки растений этих двух видов, определяющие, или имеющие отношение к промышленной переработке – смешанному прядению хлопка и конопли (геометрические, физико-механические и химические параметры короткого волокна), а также морфологические и селекционно-значимые признаки растений двух видов (высота растений, техническая длина у конопли, скороспелость, урожайность), биохимические у конопли (жирнокислотный состав масла семян, состав каннабиноидов и содержание дельта 9–тетрагидроканнабинола, каннабинола, каннабидиола) .

21. Методы исследований В основе - проведение полевых сельскохозяйственных опытов с культурами в соответствующих сельскохозяйственных зонах: Северо-Западе, Центарльно-Черноземной зоне (конопля), Юге России (конопля, хлопчатник), а также экспедиционные сборы по Северо-Западному, Центральному, Приволжскому, Южному, Уральскому, Сибирскому, Дальневосточному федеральным округам России, Забайкальскому краю и описание коллекционируемых образцов генетических ресурсов конопли, лабораторные биохимические исследования, заводские лабораторные измерения, производственные испытания .

22. Положения, выносимые в качестве "ключевых" 1.Селекция конопли текстильного использования ориентирована на повышение прядильных качеств волокна – устранение его ломкости, грубости и разнородности посредством: - преодоления гетерогенности элементаризованного волокна сужением генотипического варьирования растений по диаметру стебля и технической длине, по содержанию древесины и луба, пектинов, лигнина и целлюлозы в массе, склеивающей элементарное волокно в лубяной пучок, - снижения степени "склеености" элементарного волокна между собой и содержания инкрустирующих веществ в пучках, • повышения однородности по длине выделенного элементарного волокна с доминированием группы, близкой к хлопковой, – 15,1- 45,0 мм .

23. Селекция указанных свойств волокна способствует качественному проведению его механохимической элементаризации, цель которой – существенно повысить прядильные свойства

24. 2. Селекция конопли, как источника пищевого масла, ориентирована на сохранение и развитие у новых сортов высоких пищевых и диетических качеств масла, которые обусловлены оптимальным содержанием уникальных полиненасыщенных жирных кислот в комплексе с другими признаками масла 3. Многокомпонентное прядение подразумевает особые задачи взаимно ориентированных скрининга генофонда и конвергентной селекции сортов согласно требованиям текстильной переработки

25. 4. Исследования материала хлопчатника позволило выделить линии, демонстрирующие в условиях юга РФ приемлемые параметры качества волокна – длины, прочности, зрелости в сочетании с урожайностью, устойчивостью к болезням и вредителям, приспособленностью к ограниченному поливу 5. Созданные линии и сорта хлопчатника в условиях юга РФ демонстрируют высокие геометрические и физико-механические параметры волокна, которые удовлетворяют требованиям текстильной переработки

26. Научная новизна Впервые изучено широкое генетическое разнообразие конопли посевной Cannabis sativa L. по признакам содержания тетрагидроканнабинола (ТГК), каннабидиола (КБД), каннабинола (КБН) и жирнокислотному составу масла у образцов базовой, признаковой коллекции, экспедиционных сборов по семи федеральным округам России. Впервые в мире проведен скрининг образцов промышленных, староместных сортов, рудеральной, дикорастущей конопли, селекционного материала по признаку содержания в масле семян стеаридониковой (цис-6,9,12,15 октадекатетраеновой) кислоты Впервые в России и СНГ изложена стратегия и тактика селекции конопли масличного направления, начаты исследования содержания стеаридониковой кислоты масла семян для создания проработанного материала в селекции пищевого масличного направления.

27. Установлено, что элементаризация короткого лубяного волокна предоставляет возможность более информативно анализировать химические, физико-механические и геометрические показатели прядомости современными аналитическими комплексами (типа HVI), что позволяет объективнее и точнее провести скрининг генофонда и характеризовать селекционный материал конопли. Впервые предложен взаимно ориентированный скрининг генофонда конопли и хлопчатника для решения задач конвергентной селекции культур на приближение физико-механических, геометрических признаков волокна конопли (пеньки) к хлопку Впервые предложен алгоритм анализа динамики генотипической вариансы при рекуррентном отборе у хлопчатника. Установлено, что сохранение генотипической вариансы при отборе способствует эффективному селекционному прогрессу

28. Впервые исследования биологии размножения хлопчатника в зоне пустынь РФ позволили выявить анемофильное переопыление, что определяет строгую изоляцию образцов в коллекционной и селекционно-семеноводческой работах с культурой 1 3 2

29. На основе исследований перекрестного опыления и оплодотворения у хлопчатника впервые предложена методика сохранения генетической оригинальности, целостности и аутентичности образцов коллекций средневолокнистого хлопчатника

30. Впервые предложена методика создания коллекции признаков хлопчатника и дальнейшее ее сохранение. Впервые для юга РФ определены корреляции признаков качества естественно разноокрашенного хлопка при нормальном и повышенном увлажнении посевов. Анализ частных коэффициентов корреляции выявил значимую роль микронейра – показателя тонины и зрелости волокна в снижении прочности длинного волокна при переувлажнении посевов

31. Создана фенетическая коллекция конопли, образцы которой несут фенотипически контрастные признаки

32. Установлено, что увеличение гетерогенности волокна конопли по химическим, геометрическим и физико-механическим признакам – одна из негативных причин низкой прядомости получаемого волокна, которое может являться следствием выделения волокна из стеблей различного диаметра по причине высокой неоднородности стеблей конопли по геометрическим параметрам

33. Создана признаковая (фенетическая) коллекция средневолокнистого хлопчатника, в которой сосредоточены образцы, несущие фенотипически контрастные признаки. В коллекциях локализованы источники продуктивности, прочности и длины волокна, устойчивости к весеннему похолоданию, засолению почвы, грибным заболеваниям и насекомым.

34. Формирование признаковой коллекции средневолокнистого хлопчатника

35. Созданные линии и сорта хлопчатника в условиях юга РФ демонстрируют приемлемые и высокие геометрические и физико-механические параметры волокна, которые удовлетворяют требованиям текстильной переработки волокна По результатам исследований созданы новые сорта конопли и хлопчатника. Получены авторские свидетельства на сорта конопли Вера, Надежда, Омегадар 1. В Госкомиссию по сортоиспытанию переданы 4 сорта хлопчатника

36. СКРИНИНГ ГЕНОФОНДА И ИЗУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ КОЛЛЕКЦИЙ КОНОПЛИ И ХЛОПЧАТНИКА Признак низкого содержания каннабиноидов в соцветиях конопли по результатам экспедиций Поиск источников признаков скороспелости и холодостойкости в коллекции конопли Скрининг устойчивых к пониженным весенним температурам образцов Выделение продуктивных по семенам образцов Изменчивость технической длины стебля и высоты растений Соотношение половых типов в популяциях изучаемых образцов конопли Буреустойчивость образцов конопли Биостойкость хлопкового волокна и пеньки во влажностно-температурной среде

41. Создание признаковых (фенетических) коллекций конопли и хлопчатника в соответсвии с задачами селекции культур

47. Создание фенетической коллекции хлопчатника