Банк генетических ресурсов растений

Банк

генетических

ресурсов

растений

Банк генетических ресурсов растений Республики Беларусь, сформированный к 2015 г., насчитывает более 64 тыс. коллекционных образцов 1680 культурных видов и их сородичей. Статус научных объектов национального достояния получили коллекции Научно-практического центра НАН Беларуси по земледелию, Института плодоводства, Института леса, Института генетики и цитологии, включающие более 27 тыс. образцов полевых; 5,3 тыс.- плодовых, ягодных, орехоплодных культур и винограда; 4,1 тыс.- лесных древесных видов; 1, 9 тыс. образцов коллекции банка ДНК растений.

Созданию банка предшествовала разработка его концепции и методологии, в основу которых было положено учение Н.И. Вавилова, включающее закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, бота-нико-географические принципы селекции и теорию центров происхождения культурных растений, идеи А.А. Жученко о мобилизации генетических ресурсов, их идентификации и систематизации на современном этапе, а также теоретические исследования авторов статьи по проблемам общей и частной генетики и селекции, биотехнологии и генетической инженерии. В частности, нами предложены методы создания и оценки новых генетических ресурсов и способы отбора высокопродуктивных, устойчивых к стрессовым факторам генотипов сельскохозяйственных и лесных культур, с учетом выявленных морфофизиологических показателей и закономерностей формирования продуктивности и устойчивости растений.

Впервые в Беларуси научно обоснована и реализована в селекции система создания сортов зерновых культур интенсивного типа с потенциальной урожайностью 8-10 т/га зерна на основе ретроспективного анализа сортосмены и реконструкции морфотипа растений,

включая ценоз хлебных злаков. Методом маркерсопут-ствующей селекции идентифицированы и эффективно используются гены устойчивости к болезням в селекционных программах пшеницы, тритикале, томата, яблони и др. Разработана концепция экологической селекции, направленная на выведение высокопродуктивных, энергоэффективных и экологически стабильных сортов, обеспечивающих получение качественной экологически безопасной продукции на базе природоохранных технологий.

Коллекции как национальное достояние

Коллекции семян генетических ресурсов зерновых, зернобобовых, крупяных, кормовых, масличных культур, сахарной свеклы и льна НПЦ НАН Беларуси по земледелию; коллекции плодовых, ягодных, орехоплодных культур и винограда Института плодоводства; коллекции штаммов грибов Института леса; генетические и ДНК коллекции растений Института генетики и цитологии НАН Беларуси объявлены национальным достоянием и включены в Государственный реестр научных объектов Республики Беларусь. Они стали материальным и интеллектуальным капиталом, важнейшим резервом ценных образцов растений для использования в сельском и лесном хозяйстве (в первую очередь в качестве исходного материала для селекции), научных, экологических, образовательных и других программах. В результате выполненных исследований, экспедиционных обследований и обмена впервые в нашей стране сформированы целевые признаковые, генетические, стержневые и учебные коллекции по наиболее значимым в экономическом отношении полевым сельскохозяйственным, плодовым, ягодным культурам и лесообразующим породам.

Генофонд генетических ресурсов растений зерновых, зернобобовых, крупяных, масличных и кормовых культур НПЦ НАН Беларуси по земледелию,

уникальный для Беларуси, насчитывает более 27 тыс. образцов. Он включает 52 коллекции по 47 культурам, объединяет 10 семейств, 46 родов, 154 вида, 393 разновидности. Оборудовано специализированное помещение, где хранятся (ex situ) Национальная базовая, активная коллекции и коллекция семян исходных образцов. На основе генофонда сформированы признаковые коллекции сельскохозяйственных культур, стержневые генетические коллекции узколистного и желтого люпина и гороха. Они обладают набором ценных, стратегически важных генов для создания новых ресурсо- и энергосберегающих сортов и гибридов сельскохозяйственных культур. В 2000-2015 гг. эти коллекции послужили исходным материалом для создания 180 новых сортов зерновых, зернобобовых, крупяных, масличных, кормовых культур. 82 сорта белорусской селекции районированы за рубежом и занимают там более 2 млн га; их удельный вес в посевах сельскохозяйственных культур в Беларуси составил около 80%. Только в 2015 г. освоено в производстве 103 сорта зерновых, зернобобовых, кормовых и технических культур, 30 сортов передано в Государственную инспекцию по испытанию и охране сортов растений. Площадь их внедрения в республике составила 655,5 тыс. га.

Коллекции плодовых, ягодных, орехоплодных культур и винограда Института плодоводства сохраняются в живом виде in situ на площади 20 га и относятся к числу крупнейших в Европе. Они включают в себя самый северный на нашем континенте фонд ореха грецкого и винограда. В 2015 г. здесь насчитывалось 5166 образцов 34 культур 110 видов. С целью увеличения биоразнообразия проведена большая работа по интродукции новых для Беларуси генотипов из разных регионов мира, которая представляет огромный интерес для изучения в местных условиях адаптивно-экологического потенциала интродуцированных растений и использования лучших из них в качестве источников геноплазмы важнейших селектируемых признаков. Так, только за 2000-2015 гг. получено более 50 белорусских сортов новой генерации, широко ведется интродукция плодовых, ягодных и винограда. Всего на основе генофонда Института плодоводства создано и включено в Государственный реестр сортов Республики Беларусь 109 - отечественной селекции и 88 - интродуцированных сортов плодовых и ягодных культур.

Созданы 7 активных рабочих коллекций (кизила, персика, лещины, хеномелеса, боярышника, малино-ежевичных и землянично-клубничных гибридов), 8 целевых признаковых коллекций (облепихи,

межвидовых форм рода Prunus, груши, яблони, вишни, черешни, малины, ореха грецкого). Переход на международные принципы формирования различных типов коллекций классифицирует объекты селекционных программ по наиболее актуальным направлениям, тем самым сокращая затраты на первоначальном этапе работы в 2-3 раза, то есть позволяет экономить до 10-20 тыс. долл. Исключительную ценность селекционных источников определяют устойчивость к заболеваниям, качество плодов и пригодность к механизированному сбору урожая.

В Институте генетики и цитологии усовершенствована организационно-методическая система изучения генетического разнообразия растений, включающая генетические коллекции растений и грибов, Республиканский банк ДНК растений, обеспечивающий длительное хранение, систематизацию, изучение и многократное использование образцов ДНК (1945 единиц хранения). У каждого научного подразделения есть свои функции. Республиканский центр геномных биотехнологий занимается разработкой и внедрением биотехнологий V-VI технологических укладов в практику растениеводства. Центр коллективного пользования «Геном» оказывает услуги в области молекулярно-генетического анализа ДНК. Лаборатория детекции генетически модифицированных организмов контролирует наличие ГМИ (генетически модифицированных ингредиентов) в продовольственном сырье и пищевых продуктах; в сельскохозяйственной продукции, кормах и семенном материале. Национальный координационный центр биобезопасности решает задачи эффективного участия Беларуси в координации работ по обеспечению генно-инженерной деятельности. На опытном поле проводятся испытания генно-инженерных организмов при их первом высвобождении. Национальный координационный центр решает вопросы доступа к генетическим ресурсам и совместного использования выгод. Эта система позволяет создавать новые уникальные генотипы -ценный исходный материал для селекции растений, сохранять и изучать их ДНК, открывает новые возможности для изучения генетического разнообразия растений на молекулярном уровне, контролировать использование трансгенных организмов в сельском хозяйстве, а также наличие ГМИ в сельскохозяйственной продукции, выполнять международные обязательства Республики Беларусь в рамках подписанных договоров о биологическом разнообразии (Картахенский и Нагойский протоколы), ускоренно создавать новые сорта растений.

Разработаны методики ДНК-паспортизации сортов пшеницы, ячменя, томата, картофеля, сои, льна, подсолнечника, сахарной свеклы, яблони, груши. Предложен метод маркер-сопутствующей селекции томата

по различным генам: определяющим лежкость плодов; влияющим на накопление каротиноидов; связанным с габитусом растений. Введены в практику собственные методы маркер-сопутствующей селекции картофеля по биохимическим признакам качества (пониженное содержание редуцирующих сахаров). Выявлены генотипы, несущие аллели, ценные в селекции сортов, пригодных для промышленной переработки.

Выполнены исследования по идентификации типов цитоплазмы у сахарной свеклы с ДНК-маркерами. По результатам скрининга митохондриальных генов у линий показана возможность применением молекулярного маркирования для дифференциации типов цитоплазмы у этого корнеплода, что может быть использовано при селекции гибридов на стерильной основе.

В Институте леса организовано сохранение и изучение генофонда лесных древесных видов Беларуси, собраны коллекции ДНК генетических ресурсов. Для сохранения генетических ресурсов лесных древесных видов в их естественной среде обитания (in situ) организовано 17 лесных генетических резерватов общей площадью 4829 га, выделены плюсовые насаждения на площади 1160 га, в которых отобрано 2727 плюсовых деревьев сосны обыкновенной и веймутовой, ели европейской, пихты белой, лиственницы европейской и сибирской, дуба черешчатого, бука европейского, ясеня обыкновенного, ольхи черной, осины, березы повислой и карельской.

Для сохранения генетических ресурсов ex situ используются искусственные посадки лесных древесных видов, а также банки генов в виде коллекционных культур, архивных плантаций клонов, географических и испытательных культур.

Коллекция клонов элитных и плюсовых деревьев представлена архивными плантациями сосны обыкновенной на площади 14,3 га (161 клон), березы карельской (4,1 га - шесть форм с высокоузорчатой древесиной), ели европейской (5,1 га - 132 клона).

Коллекция семей плюсовых деревьев представлена семейственными плантациями сосны обыкновен-§ ной и ели европейской на площади 2,9 га. Коллекция f" по тестированию потомства таких деревьев представ° лена испытательными культурами сосны обыкно-| венной, ели европейской и дуба черешчатого на пло-i щади 24,7 га, на испытание поставлено 1267 семей. I Коллекция климатипов представлена геогра-

S фическими культурами сосны обыкновенной и ели | европейской на площади 51,9 га, где произрастает < 267 климатипов.

| В генном банке на хранении находится семенной

материал сосны обыкновенной - 138 образцов общей массой 5775,1 г; ели европейской - 27 образцов, 864,2 г; лиственницы европейской (польской) - 45 образцов, 1208,64 г; березы карельской - 3 образца, 2150,0 г.

Коллекция ДНК генетических ресурсов главных лесообразующих видов Беларуси включает 3660 образцов биологического материала и ДНК дуба черешчатого, сосны обыкновенной, ели европейской, березы повислой.

Депонирован и описан ценный генофонд четырех лесообразующих видов (сосна обыкновенная, ель европейская, дуб черешчатый, береза повислая); секвени-рованы гены сосны обыкновенной и ели европейской; выявлен формоспецифический полиморфизм и предложена методика ранней диагностики хозяйственно ценных форм деревьев; с использованием геногео-графического моделирования составлены карты пространственного распространения митохондриальных и хлоропластных гаплотипов дуба черешчатого, ели европейской и сосны обыкновенной на территории Беларуси; уточнена зона перекрытия бореального и карпатского миграционных потоков P. abies на юго-западе нашей страны; установлена географическая локализация митохондриальных и хлоропластных гаплоти-пов ели европейской на территории России (СевероЗападный, Центральный и Приуральский и регионы), Прибалтики (Латвия, Литва, Эстония) и Украины; усовершенствовано лесосеменное районирование дуба черешчатого в Беларуси на основе закономерностей географического распространения популяций; разработаны схемы лесных генетических резерватов и селекционно-семеноводческих объектов популяционного направления, обеспечивающих сохранение и эффективное использование ценного генофонда лесообразу-ющих видов Беларуси; созданы наборы праймеров для определения видовой принадлежности образцов древесины; установлены идентичность образцов и места их произрастания при проведении криминалистических и археологических экспертиз. Масштабные исследования по изучению формового разнообразия основных лесообразующих пород и селекционной оценки древо-стоев позволили разработать научные основы организации постоянной лесосеменной базы. В результате изучения in vitro древесно-кустарниковых и декоративных растений усовершенствованы методики длительного депонирования в перевиваемой культуре селекционно ценных генотипов лесных видов; разработаны технологии получения их посадочного материала в промышленных масштабах; выявлены особенности морфо- и органогенеза in vitro основных лесообразующих лиственных деревьев Беларуси; установлено влияние генотипа материнского растения на морфофизиологические реакции микроклональных саженцев при выращивании в условиях in vitro и ex vitro; определены способы регуляции уровня стрессоустойчивости ювенильных растений лесных древесных видов; созданы приемы индуцирования сомаклональной изменчивости в асептических культурах для получения нового исходного материала в селекции на хозяйственно ценные признаки.

Информационная система генетических ресурсов растений Республики Беларусь включает базу данных сельскохозяйственных и лесных культур - «Генофонд растений Беларуси», кодификатор по группам для присвоения национальных каталожных номеров, что позволяет оперативно подбирать образцы генофонда для использования в научных, селекционных и других программах. Авторами разработана паспортная база данных отечественной информационной системы для согласованного обмена по всему миру и оптимизации доступа к зарубежным генным банкам.

Опубликованы уникальные издания:

«Каталог Национально генетического фонда хозяйственно полезных растений», в 2 книгах (2012);

«Каталог источников селекционно-ценных признаков сельскохозяйственных культур». Выпуск 1 (2014);

коллективная монография «Генетические основы селекции растений», в 4 томах (2008, 2010, 2012, 2014). Обобщаются современные методы генетики и биотехнологии, применяемые в селекции сельскохозяйственных и лесных культур в Беларуси;

монография «Стержневая генетическая коллекция Lupinus angustifolius L. Генетика, формирование биологического банка генов, использование» (2014);

монография «Современный сортимент садовых насаждений Беларуси» (2015).

Обеспечено участие нашей страны в деятельности международной сети по генетическим ресурсам растений. Разработан Договор о сотрудничестве в области сбора, сохранения и использования генетических ресурсов культурных растений. На его основе осуществляется долгосрочное научное партнерство с ведущими селекционными центрами и международными генетическими банками, налажена работа по обмену генофондом и информацией со 124 зарубежными учреждениями.

С 2005 г. поддерживаются контакты с Международным институтом генетических ресурсов растений (Рим, Италия). С 2008 г. Беларусь - участник Европейской кооперативной программы по генетическим ресурсам растений. В рамках этой программы в 2011 г. подписан Меморандум о взаимопонимании и вступлении нашей страны в Интегрированную систему банков генов Европы «AEGIS». В 2012 г. коллекционные образцы пшеницы и ячменя белорусского происхождения переданы в Арктический генный банк на долгосрочное хранение.

В 2014 г. Беларусь присоединилась к Нагойскому протоколу по регулированию доступа к генетическим ресурсам.

С 2009 г. возобновил работу Белорусский опорный пункт Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР) в Жодино.

В процессе создания сортов полевых, плодовых и лесных растений используются на 100% собственные биоресурсы. За последние пять лет новые сорта

и гибриды, полученные на основе генофонда, внедрены в сельском хозяйстве страны на площади 4725,2 тыс. га: экономический эффект составил 786,7 млрд руб. (116,9 млн долл.). В лесном производстве - 21,2 млрд руб. (5,7 млн долл). Объем импортозамещения за период 2013-2016 гг. - 1277,7 млрд руб. (75345,2 тыс. долл). Экспортные поставки составили 959,4 тонн семян полевых культур, 3180 шт. саженцев плодовых и ягодных культур, 2,1 т семян и 99,3 млн шт. посадочного материала лесных растений. В сумме реализовано продукции на 91,2 млрд руб. (4,9 млн долл).

По результатам научных исследований опубликовано 379 научных работ (в том числе 25 монографий, 5 каталогов, 7 унифицированных классификаторов, 5 учебников для вузов), защищено 4 докторских и 31 кандидатская диссертация. Авторы настоящей работы за 2013-2016 гг. представили также 140 докладов на международных научных конференциях.

Таким образом, первый в Беларуси Банк генетических ресурсов растений, современные методы селекции и полученные на их основе сорта обеспечивают надежный фундамент успешного развития растениеводства и лесоводства, продовольственной и биологической безопасности страны. СИ

5 See: http://innosfera.by/2016/10/Genetic_Resources

Федор Привалов,

генеральный директор РУП

Научно-практического центра НАН Беларуси по земледелию,

доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент НАН Беларуси,

профессор

Александр Кильчевский,

главный ученый секретарь НАН Беларуси,

доктор биологических наук, член-корреспондент НАН Беларуси,

профессор

Станислав Гриб,

главный научный сотрудник РУП Научно-практического центра НАН Беларуси по земледелию, доктор сельскохозяйственных наук, академик НАН Беларуси, профессор

Зоя Козловская,

заведующая отделом селекции плодовых культур РУП

Института плодоводства,

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Александр Ковалевич,

директор Института леса НАН Беларуси, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент