Роль селекции в повышении продуктивности зерновых культур

Во ВНИИСБ ведутся исследования цитоплазматической мужской стерильности с помощью методов генной инженерии. Генетически обусловленная мужская стерильность позволяет исключить ручную кастрацию при скрещивании, что значительно облегчает и удешевляет селекционную работу и массовое производство гетерозисных гибридных семян. Изучаются молекулярные основы ЦМС кукурузы S(M) -- типа, широко используемого селекционерами России, Украины, Молдавии. Показано, что стерильность обусловлена экспрессией плазмы -- автономного генетического элемента митохондрий кукурузы S-типа. Установлено строение участка ДНК, ключевого для развития ЦМС. Исследуется особенность экспрессии этого фрагмента и его взаимодействие с другими элементами, необходимыми для ЦМС. Полагают, что генно-инженерную мужскую стерильность можно будет вызывать не только у растений кукурузы, но и у представителей многих других сельскохозяйственных культур, для которых актуальна задача получения гетерозисных гибридов.

Методы биотехнологии в селекции на продуктивность

За последние 20 лет биотехнология, используя рекомбинантные (полученные за счет объединения вместе не встречающихся в природе фрагментов) ДНК, превратилась в неоценимый новый научный метод исследования и производства продукции сельского хозяйства. Рекомбинантная ДНК позволяет селекционерам отбирать и вводить в растения гены «поодиночке», что не только резко сокращает время исследований по сравнению с традиционной селекцией, избавляя от необходимости тратить его на «ненужные» гены, но и дает возможность получать «полезные» гены из самых разных видов растений. Эта генетическая трансформация сулит огромную пользу для производителей сельскохозяйственной продукции, в частности, повышая устойчивость растений к насекомым-вредителям, болезням и гербицидам. Дополнительные выгоды связаны с выведением сортов, более устойчивых к недостатку или избытку влаги в почве, а также к жаре или холоду -- основным характеристикам современных прогнозов грядущих климатических катаклизмов. Наконец, немалую выгоду может получить от биотехнологии и непосредственно потребитель, поскольку новые сорта обладают более высокими питательными свойствами и другими характеристиками, сказывающимися на здоровье (Борлауг, 2001).

Новые сорта трансгенных растений достаточно быстро завоевывают популярность в среде производителей. Это -- пример наиболее быстрого распространения (как результатов, так и методов) во всей многовековой истории сельского хозяйства. В период с 1996 по 1999 год площади, засеянные трансгенными сортами основных продовольственных культур, увеличились почти в 25 раз (с 1,7 до 40 млн га).

В ряде стран (США, Япония, Канада, Великобритания, Франция, Китай и др.) уже нашли широкое практическое применение методы клеточной селекции при создании новых форм растений путем выделения мутантных клеток и сомаклональных вариаций в селективных условиях. Полученные с использованием этих методов сорта характеризуются улучшенным качеством, повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям внешней среды и вредным организмам. В нашей стране с помощью методов культуры клеток, тканей и органов созданы первые отечественные сорта ячменя: Исток, Одесский 115, Прерия, Степной дар (бывш. ВСГИ), Биос 1, Рамос, Рахат (НИИСХ ЦРНЗ совместно с другими НИИ); риса Биориза (ВНИИ риса); озимой пшеницы Смуглянка (ПНИИЖБ). Срок выведения этих сортов был сокращен на 4--6 лет.

Зерновые и злаковые кормовые культуры являются еще трудным объектом для генной инженерии, прежде всего, в связи с отсутствием надежных векторных систем для введения генов в геном их клеток. Поэтому одновременно ведется разработка методов прямого переноса генов в клетки растений для получения устойчивых форм к стрессовым факторам, болезням и вредителям (США, ФРГ, Испания, Франция и др.).

Одной из важнейших областей применения методов генной инженерии в растениеводстве является биологическая фиксация азота как бобовых, так и небобовых культур (рис, кукуруза, пшеница, сорго). Эти исследования ведутся в США, Великобритании, Индии и других странах. Учитывая, что система фиксации азота требует больших энергетических затрат, в перспективе предусматривается возможность соединения у растений молекулярных механизмов азотфиксации и фотосинтеза в единую сопряженную систему, способную использовать для восстановительных реакций непосредственно лучистую энергию.

В ряде стран (США, Япония, Канада, Великобритания, Франция, Китай и др.) уже нашли широкое практическое применение методы клеточной селекции при создании новых форм растений путем выделения мутантных клеток и сомаклональных вариаций в селективных условиях. Полученные с использованием этих методов сорта характеризуются улучшенным качеством, повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям внешней среды и вредным организмам. В нашей стране с помощью методов культуры клеток, тканей и органов созданы первые отечественные сорта ячменя: Исток, Одесский 115, Прерия, Степной дар (бывш. ВСГИ), Биос 1, Рамос, Рахат (НИИСХ ЦРНЗ совместно с другими НИИ); риса Биориза (ВНИИ риса); озимой пшеницы Смуглянка (ПНИИЖБ). Срок выведения этих сортов был сокращен на 4--6 лет. Получены также формы ячменя и пшеницы (ИФР, MCXA, ВНИИСБ), люцерны и клевера лугового (ВНИИ кормов), сахарной свеклы (ВНИИСС), льна (ВНИИЛ), устойчивые к стрессовым факторам и болезням.

В 1993 году были проведены совместные исследования Россия - США по созданию высокопродуктивных гибридов кукурузы, способных размножаться по механизму апомиксиса, то есть давать семена бесполым путем. Сейчас передовые исследования в этой области ведут ученые из лаборатории цитологии и апомиксиса растений Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН в Новосибирске.

Первый в мире проект по созданию апомиктичного коммерческого сорта у культурных растений был объявлен и начат в СССР в 1958 году. Его автор - профессор Д. Ф. Петров, создавший для выполнения данного исследования лабораторию цитологии и апомиксиса растений в только что организованном Институте цитологии и генетики Сибирского отделения Академии наук. Однако идея закрепления гетерозиса через размножение, исключающее сегрегацию генов, принадлежит М. С. Навашину и Г. Д. Карпеченко. Получение апомиктов планировалось на важнейшей сельскохозяйственной культуре - кукурузе. В работе, начатой Д. Ф. Петровым, использовали несколько подходов. Один из них оказался продуктивным и продолжается в России, а также в США, во Франции, в Мексике до настоящего времени. В этом исследовании передачу Zea mays L.-Zm апомиктического способа репродукции осуществляли от ее дикого сородича - трипсакума (Tripsacum dactyloides L.-Td) путем гибридизации. Сравнительный анализ традиционных сортов кукурузы и апомиктов выявил следующие признаки превосходства апомиктичных гибридов: урожай зеленой массы, высокое содержание в ней протеина и других переваримых компонентов, содержание в семенах полиненасыщенных жирных кислот, устойчивость растений к засухе, переувлажнению и засолению почвы. Эти несомненные преимущества позволили бы уже сейчас использовать гибриды в качестве фуражной культуры. Однако пока они не могут давать семян из-за полной мужской стерильности (апомиктам необходимо оплодотворение центральной клетки, иначе зерновки не развиваются). Чтобы получить потомство от гибридов, приходится рядом высевать кукурузу в качестве опылителя. Подбором опылителей и других факторов удалось добиться 50-процентной фертильности, что с учетом большого числа початков на растениях-гибридах позволяет им конкурировать по семенной продуктивности с кукурузой. Российская апомиктичная кукуруза уже запатентована в США и в 11 других странах (Соколов, 1999).

По прогнозам экспертов, дальнейшее развитие производства зерна в наибольшей мере будет связано с повышением стабильности урожаев возделываемых сортов. Например, в Канаде фунгициды на посевах пшеницы практически не используются, поскольку возделываемые сорта устойчивы к наиболее вредоносным грибам (различные виды ржавчины, головня). Селекция здесь в большей степени ориентирована на болезнеустойчивость, чем на урожайность (Касаева, Ковалев, 1989). В Белоруссии вклад сорта в увеличение производства зерна неуклонно возрастает. Если в настоящее время прибавка урожая от селекции и семеноводства оценивается в 15-- 20%, то в перспективе, по прогнозам ученых, она достигнет 50--80% (Гриб, 1998). Академик H.И. Вавилов (1987) отмечал, что новые проблемы будут ставить перед селекцией и новые цели

Методы моделирования в селекции на продуктивность

Необходимость учета влияния на продуктивность растений множества сильно варьирующих факторов в динамике (биологических особенностей растений, почвенных, климатических, агротехнических, экономических и других факторов) обуславливает развитие системного подхода к управлению формированием урожая на основе моделирования. Точный расчет с применением математических моделей и вычислительной техники обеспечивает наиболее эффективное использование ресурсов с учетом роста плодородия полей и охраны окружающей среды. Это повышает объективность, точность решения задач оптимизации по сравнению с традиционными методами принятия решений на основе практического опыта и интуиции.

В зарубежных странах с развитым сельским хозяйством моделирование находит все большее значение для прогнозирования урожайности и управления формированием урожая сельскохозяйственных культур в целях достижения максимальной эффективности в земледелии. Потребность в разработке и совершенствовании математических моделей обусловлена непрерывным усложнением задач, возникающих во всех отраслях сельского хозяйства, имеющих системный характер, ужесточение требований к корректности и обоснованности принятия решений. Все это ведет к повышению удельного веса математических моделей в ряду средств современной информационной технологии.

В селекционных программах с помощью моделирования ведутся исследования для выявления оптимального сочетания признаков при проектировании новых сортов с заданными параметрами. По-видимому, в будущем значительная часть работы в этих программах будет состоять из разработки целесообразных моделей и сбора материала для математического моделирования.

Все многообразие разрабатываемых и применяемых математических моделей формирования урожая объединяется в три основных типа: балансовые, математико-статистические и динамические имитационные модели. В практике прогнозирования и программирования урожая наибольшее применение получили первые два типа. Комплексные динамические модели используются пока преимущественно для исследовательских целей -- изучения особенностей механизмов, определяющих важнейшие физиологические процессы растений, возможность их адаптации и т.д. Для решения практических задач разрабатываются прикладные динамические модели продуктивности посевов сельскохозяйственных культур.

Методы планирования и организации фундаментальных и прикладных исследований, направленные на разработку моделей продукционного процесса растений, отличаются от традиционных. Это, прежде всего комплексные исследования, для которых характерен системный подход, позволяющий связать совокупность различных экспериментов физиологов, селекционеров, агрометеорологов, агрохимиков, растениеводов, математиков и инженеров в единую систему взаимосвязанных теоретических и экспериментальных работ, сориентированных на достижение единой цели. В зависимости от цели модели и ее структуры соотношение проводимых полевых, вегетационных, лабораторных опытов, исследований в фитотроне и на ЭВМ может быть различным. В связи с необходимостью проведения многофакторных опытов для определения параметров модели в этих исследованиях одним из наиболее рациональных является метод математического планирования эксперимента, базирующийся на основе математической статистики.

По мере накопления количественных данных о биологических процессах в растениях, а также о процессах, протекающих в системе почва - погода - растительный покров, совершенствования математических методов роль моделирования в программировании урожайности и селекции растений будет возрастать. Вместе с тем разработанные в ряде научных учреждений (Волгоградский СХИ, ЮжНИИГиМ, АФИ, MCXA, ВНИИ риса, ВНИИ кормов и др.) модели и системы программно-целевого управления урожаем отдельных культур и продуктивностью севооборотов в целом уже сейчас позволяют более эффективно использовать имеющиеся ресурсы, значительно снижать затраты труда на возделывание культур и получать запланированные урожаи.

Заключение

Селекция и интенсификация технологий в ряде экономически развитых стран определили современный высокий уровень урожайности зерновых (44--63 ц/га) и других культур. Есть основание считать, что дальнейшее нарастание производства сельскохозяйственной продукции в мире будет осуществляться на основе тех же факторов, прежде всего, за счет повышения уровня интенсификации земледелия в развивающихся странах. Но поскольку интенсификация земледелия на определенном этапе сопряжена с экономическими и экологическими издержками, важнейшее значение приобретают биологические и биофизические исследования, направленные на селекционное улучшение растений, стабильность производства сельскохозяйственной продукции и повышение ее качества.

Роль селекции в повышении фотосинтетической продуктивности растений современных сортов проявилась, главным образом, в изменении морфогенеза, т.е. генетическом улучшении структуры растений. Для значительного увеличения зерновой продуктивности новых сортов без изменения продолжительности вегетационного периода требуется повышение активности фотосинтетического аппарата на основе генетической перестройки его структуры и функций, детального изучения всех глубинных сторон процесса фотосинтеза, начиная с его первичных реакций. Рост продуктивности новых сортов кормовых культур, у которых общая надземная биомасса является хозяйственной частью урожая, также находится в прямой зависимости от активности фотосинтеза. Но при современном уровне знаний физиологии и генетики фотосинтеза и дыхания задача повышения активности фотосинтетического аппарата селекционными методами пока еще не имеет четкого решения.

Наряду с фотосинтезом, рост является важнейшей функцией продукционного процесса растений. Образовавшиеся в процессе фотосинтеза пластические вещества, а также синтезируемые при его участии стимуляторы и ингибиторы обеспечивают реализацию генетической программы роста и развития.

Кардинальным путем повышения урожайности сельскохозяйственных культур и ее стабильности, по мнению ряда исследователей, является создание генетически модифицированных растений (ГМР). Сдерживающими причинами широкомасштабного перевода растениеводства на этот путь развития являются: высокая стоимость работ по созданию ГМР и биобезопасность. Последнее обстоятельство вызывает обеспокоенность людей в различных странах мира и их протест против производства продуктов питания из ГМР. Теоретически не исключается, что в результате взаимодействия чужеродных и собственных генов генетически модифицируемого организма, а также воздействия мутагенных факторов среды могут возникать наследственные изменения, приводящие к образованию опасных для здоровья людей и окружающей среды, токсичных белков и других органических соединений. Следует отметить, что эти вопросы находятся под контролем специальных комиссий по биобезопасности, созданных во многих странах занимающихся генно-инженерными работами, в т.ч. и в России. Другой путь управления продукционным процессом растений в целях повышения их устойчивости к стрессам и продуктивности -- применение природных и синтетических фиторегуляторов путем обработки этими препаратами семян и посевов сельскохозяйственных культур. Недостатком этого способа является наличие генетической и экологической безопасности, особенно при использовании химических аналогов фитогормонов. В связи с вышеизложенным поиск новых приемов управления продукционным процессом растений является актуальным (Балашова и др., 2001).

Важнейшим резервом роста урожайности и его стабильности является наиболее полная реализация потенциальной продуктивности возделываемых сортов, эффективное использование почвенно-климатических, материальных и других ресурсов на основе оптимизации агроэкологического районирования сельскохозяйственных культур, конструирования продуктивных и устойчивых агроэкосистем. Для принятия необходимых мер, обеспечивающих формирование высокопродуктивных растений, требуется диагноз биологической ситуации в посеве. Этой цели служит биологический контроль. Мировой опыт свидетельствует о необходимости перехода к так называемой "биологизации" технологий, предусматривающей максимальное согласование их с биологическими требованиями культуры, к стратегии интегрированного использования генетических, природных и техногенных факторов. В интегрированной системе выращивания сельскохозяйственных культур все больше будет возрастать роль сорта, так как он является наиболее надежным и экономически выгодным фактором повышения урожайности и ее стабильности.

Эффективность селекционной работы тесно связана с организацией семеноводства, быстрого размножения новых сортов и получения высококачественных семян. Влияние почвенно-климатических условий на формирование урожайных свойств семян вызывает необходимость экологического подхода при организации семеноводства, т. е. концентрации его в наиболее благоприятных зонах для производства высокоурожайных семян.

В перспективе в мире рост производства продуктов питания и другой сельскохозяйственной продукции будет определяться прежде всего, уровнем разработки и применения двух видов наукоемких технологий: биотехнологии и информационных технологий. Последние включают в себя компьютерные технологии, передачу в организм генетической информации (связь с биотехнологией) и адресной информации в виде химических и физических сигналов (определенной структуры и свойства). Использование низкоэнергетических факторов (физиологически активные вещества в низких концентрациях, слабые физические излучения -- например, сигналы специальной формы, ССФ) открывает широкие возможности для управления живыми системами и организмами. Это особенно важно для повышения адаптации растений к неблагоприятным условиям выращивания, эффективного использования генетических, почвенно-климатических ресурсов, техногенных факторов и охраны окружающей среды.

Библиографический список

1. Амелин А.В. // Физиология и биохимия культурных растений. 1992.т.5.С.448-454.

2. Амелин А.В., Лаханов А.П., Яковлев В.Л. Биологический и экономический потенциал зернобобовых и крупяных культур и пути его реализации. Орел: РАСХН, 1999. С. 80-84.

3. Амелин А.В. Фотовосстановительная активность хлорофиллсодержащих органов и вклад их в фотосистему растения у примитивных форм и современных сортов гороха // Вестник Башкирского университета. 2001. № 2 (I). С. 6-8.

4. Балашова Н.Н., Лахматова И.Т., Лупашку Г.А. Трансгенные растения в сельском хозяйстве и возможный риск в связи с проблемами иммунитета живых организмов // Сельскохозяйственная биология. 2001. № 5.С. 3-13.

5. Быков О.Д., Зеленский М.И. О возможности селекционного улучшения фотосинтетических признаков сельскохозяйственных растений // Труды по прикладной ботанике, генетике, селекции ВИР. СПб., 1982. С. 32-44.

6. Гуляев Б.И. и др. Фотосинтез, продукционный процесс и продуктивность растений. Киев: Наукова думка, 1989, 152 с.

7. Дорохов Б.Л., Баранина И.И. // Физиология и биохимия культурных растений. 1972. Т. 4. Вып. 3. С. 287-291.

8. Жакотэ А.Г. Адаптивные системы сельского хозяйства. (Материалы Всесоюзного совещания 18-20 октября 1983). Кишинев: Штинница, 1984. С. 23-41.

9. Жученко А.А. роль Генетической инженерии в адаптивной системе селекции растений // Сельскохозяйственная биология. 2003, № 1

10. Кершанская О.И., Беденко В.П., Уразалиев Р.А. Фотосинтез гетерозисных гибридов озимой пшеницы. Алма-Ата: Наука, 1990. С.156

11. Кершанская О.И. Концепция оптимального фотосинтетического типа растения пшеницы в оптимизации селекционного процесса // Вестник Башкирского университета. 2001. № 2 (I). С. 39-41.

Размещено на Allbest.ru