Современные генетические методы в селекции растений

Александр Кильчевский Елена Сычёва

директор Института генетики и цитологии НАН Беларуси, член-корреспондент

ученый секретарь Института генетики и цитологии НАН Беларуси, кандидат биологических наук

Современные генетические методы в селекции растений

Крылатые слова академика Н.И. Вавилова о том, что селекцию можно рассматривать как науку, как искусство и как отрасль сельскохозяйственного производства, сохраняют свою актуальность [1]. Генетика в свою очередь является теоретическим фундаментом селекции как науки. в последнее время арсенал методов селекции значительно пополнился за счет прорывных достижений в области генетики, геномики и биотехнологии, определив основные приоритеты современной селекции растений и расширив пути их достижения (табл. 1).

Расширение спектра генетической изменчивости

важнейшую роль в селекции играет анализ существующей генетической изменчивости, а также создание новой — в результате мутагенеза, рекомбино-генеза и трансгенеза. генетические ресурсы в мире хранятся в более чем 1,5 тыс. генбанков, где сосредоточено около 6 млн. образцов растений. Поиск доноров и источников хозяйственно ценных признаков, их анализ, формирование рабочих коллекций — важнейшая задача селекционера. Если ценные признаки у исходных образцов сцеплены с нежелательными, создать новые группы сцепления можно с помощью рекомби-

ногенеза. весьма часто одного цикла гибридизации бывает недостаточно для того, чтобы добиться оптимального сочетания желаемых генов. Этой цели служит периодический отбор, включающий несколько стадий. Такого рода селекция напоминает выпаривание раствора соли в сосуде. Технологии ее проведения разработаны за рубежом и усовершенствованы в Институте генетики и цитологии для отдельных перекрестноопыляющихся (кукуруза) и самоопыляющихся культур (томат) [2].

новые возможности для расширения спектра генетической изменчивости и создания принципиально новых генотипов растений открывает генетическая инженерия. Трансгенные технологии позволяют получать формы растений, толерантные к гербицидам, передавать устойчивость к насекомым и вирусам, улучшать качественные характеристики. Многие из этих задач сложно или практически невозможно решить с помощью традиционной селекции.

В Беларуси сорта трансгенных растений пока не выращиваются. Однако исследования в этой области проводятся достаточно динамично по целому ряду направлений на базе академических институтов — генетики и цитологии, биофизики

и клеточной инженерии, — НПЦ по картофелеводству и плодоовощеводству, а также центрального ботанического сада и БГУ. Получены первичные трансгенные растения (рис. 1), представляющие значительный научный и практический интерес [3]. В рамках Государственной программы «Инновационные биотехнологии» ведутся работы по созданию

¡,с

Рис. 1. Трансгенные растения картофеля, устойчивые к насекомым, пока еще в пробирке: А — контрольное растение картофеля сорта Скарб на селективной среде; Б — контрольное растение картофеля сорта Скарб на среде без антибиотика; В — трансгенное растение картофеля сорта Скарб на селективной среде

СЕЛЕКЦИЯ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ

трансгенных форм картофеля с устойчивостью к колорадскому жуку, вирусам, грибным и бактериальным болезням; высокоурожайного клевера; клюквы с повышенной резистентностью к патогенам и измененным вкусом плодов. В планах — получение генно-модифици-рованных рапса и льна. Всего к 2012 г. планируется получить 9 первичных трансгенных линий растений с заданными свойствами по 5 сельскохозяйственным культурам.

Успехи в этом направлении ощутимы, но говорить об отечественных трансгенных сортах еще рано, и пройдет не один год экспериментов, испытаний и анализа, прежде чем они дойдут до промышленного производства. Такой взвешенный, продуманный подход вполне обоснован, принимая во внимание новизну и недостаточный опыт использования достижений в этой области. Исключение возможных биологических рисков при применении ГМО в долгосрочной перспективе требует проведения широкомасштабных исследований. С этой целью в Институте генетики и цитологии реализуются проекты по оценке биобезопасности трансгенных растений для здоровья человека, животных и окружающей среды и созданию полигона для их испытания.

Повышение эффективности отбора

Методы отбора генотипов, применяемые в селекции, весьма разнообразны и зависят от биологии размножения растения, особенностей наследования признака, гибридного поколения, условий среды и других факторов. Важнейшее условие эффективного отбора—точная идентификация генотипа по фенотипу. В случае, когда речь идет о качественных признаках, за наследование которых «отвечают» 1—2 гена, отбор относительно прост. однако большинство хозяйственно ценных признаков являются количественными, и формирование их зависит от среды. В этом случае значе-

ние генотипа можно определить только как среднее значение всех фенотипов в изменяющихся условиях. Для повышения эффективности отбора по количественным признакам применяется разработанная в Институте генетики и цитологии экологическая организация селекционного процесса [2].

Существенно повышают эффективность отбора и селекционного процесса современные технологии молекулярного маркирования, с помощью которых можно выявлять доноров агрономически важных признаков, маркировать гены устойчивости к болезням и другим биотическим и абиотическим факторам, идентифицировать сорта и др. В настоящее время в нашем институте мар-кер-ассоциированная селекция ведется более чем по 30 генам устойчивости и качества у растений (рис. 2). Преимущества отбора с использованием ДНК-маркеров по сравнению с традиционными методами налицо: возможность

идентифицировать необходимые гены на ранних стадиях развития организма еще до начала их экспрессии, быстро и эффективно тестировать большое количество селекционного материала значительно сокращает занимаемые площади и снижает трудозатраты.

на основе ДнК-маркеров разработана система идентификации и паспортизации сортов растений для проверки соответствия новых сортов критериям ооС-теста (отличимость, однородность и стабильность), решения спорных вопросов об их чистоте, авторстве и т.д. Система адаптирована для 8 основных сельскохозяйственных культур, возделываемых в стране: пшеницы, ячменя, картофеля, льна, томата, сои, подсолнечника, яблони. Ведутся работы на сахарной свекле. С целью освоения ДНК-паспортизации утверждены методические рекомендации и предложена схема государственного контроля закупки семян с использованием ДНК-паспортов (рис. 3).

со

Рис. 2. Результаты ДНК-маркирования сортов картофеля по устойчивости к цистообразующей нематоде

Таблица 1. Основные приоритеты современной селекции растений

Приоритеты Пути достижения

I. Расширение спектра генетической изменчивости Создание и использование генбанков; мутагенез; рекомбиногенез; трансгенез

II. Повышение эффективности отбора Селекция с помощью молекулярных маркеров; экологическая организация селекционного процесса

III. Повышение информативности селекционного процесса Генетико-статистические методы; информационные технологии, компьютеризация селекции

IV. Сокращение сроков создания сортов и гибридов Использование фитотронов; биотехнологические методы

С целью обобщения пятидесятилетнего труда белорусских ученых по разработке генетически обоснованных методов селекции Институтом генетики и цитологии HAH Беларуси реализуется на практике амбициозная инициатива по изданию не имеющей аналогов в СНГ четырехтомной коллективной монографии «Генетические основы селекции растений». На настоящий момент опубликованы два тома: «Общая генетика растений» и «Частная генетика растений». Готовится к изданию третий — об использовании в селекции растений методов клеточной инженерии.

Совершенно очевидно, что ДНК-паспортизация выводит сортоиспытание и семеноводство на принципиально новый уровень. Ее внедрение позволит повысить качество селекционно-семеноводческого процесса в Беларуси и эффективность контроля за создаваемыми в республике сортами, улучшить систему патентования новых, усилить контроль за кондиционностью семян, закупаемых за рубежом, исключить возможность фальсификации и связанных с этим экономических потерь.

Повышение информативности селекционного процесса

Важнейшим инструментом повышения эффективности селекционного процесса является информатизация. На стыке ряда наук — биометрии, генетики, селекции — сформировались генети-ко-статистические методы, в развитие которых Институт генетики и цитологии внес значительный вклад. Разработаны и усовершенствованы способы оценки комбинационной способности в селекции на гетерозис, адаптивной способности — на повышение адаптивного потенциала, пакеты прикладных про-

грамм для статистического анализа результатов селекционных и генетических экспериментов РИШОН и АБСТАТ. Их использование существенно облегчает труд ученых. Создание автоматизированного рабочего места (АРМ) селекционера — программного комплекса на базе современных информационных технологий — ближайшая задача. Она будет решаться специалистами института совместно с коллегами из НПЦ НАН Беларуси по земледелию.

Сокращение сроков создания сортов и гибридов

Интенсификация растениеводства привела к быстрой сортосмене. Продолжительность жизни сорта постоянно сокращается, и селекционер должен мгновенно отвечать на вызовы времени, подключая все возможности для ускорения селекционного процесса. Среди методов, позволяющих сократить сроки создания сорта — гетерозисная и гамет-ная селекция, использование культуры in vitro, применение фитотронов и молекулярных маркеров, селекция на основе гаплоидов.

Селекция на гетерозис позволяет объединить в гибридном генотипе комплекс желаемых генов, что не всегда удается при выведении константных сортов. Институт генетики и цитологии традиционно лидирует среди научных учреждений стран СНГ по вопросам методологии гетерозисной селекции растений. С использованием разработанных подходов только за 2004— 2009 гг. при участии института в Госсортоиспытание переданы 13 гибридов (9 — томата, 2 — подсолнечника, по одному — перца и капусты). Всего за историю существования института создано более 30 сортов, районированных в Беларуси и за ее пределами.

Селекция на основе гаплоидов позволяет быстро гомозиготизировать гибридный материал, добиться его выравнен-ности, что дает возможность сократить длительность селекционного процесса на 3—4 года и уменьшить затраты на выведение новых сортов. Такие технологии разработаны в институте для сахарной свеклы, картофеля, тритикале, льна-долгунца [4].

Важный резерв ускорения селекции и повышения ее эффективности — гамет-ное направление исследований. В Институте генетики и цитологии совместно с БГСХА разработан метод гаметофит-но-спорофитной селекции томата на холодостойкость, в БГу — метод гаме-тофитной селекции люпина и томата на устойчивость к фузариозу [5].

В целом следует отметить, что традиционная селекция за последние годы существенно дополнена методами биотехнологии, генетики, экологии, информатики. Значит ли это, что традиционный отбор будет заменен селекцией в пробирках и фитотронах? Конечно же, нет. однако применение современных генетико-биотехнологических подходов создает принципиально новые возможности. Свидетельство тому — широкое применение гетерозисных гибридов в защищенном грунте и полевых условиях, расширение посевов трансгенных культур, новых культур (тритикале и др.), полученных при отделенной гибридизации. успех селекции сегодня — это результат творческого союза селекционеров с генетиками, биотехнологами, фитопатологами, физиологами, экологами, математиками и представителями других специальностей.

Литература

1. Теоретические основы селекции растений. Т. 1. Общая селекция растений / Под общ. ред. Вавилова Н.И. — М., Л., 1935.

2. Генетические основы селекции растений. В 4 т. Т. 1. Общая генетика растений / Под науч. ред. Кильчевского А.В., Хотылевой Л.В. — М., 2008.

3. Исаенко Е.В., Шахбазов А.В., Картель Н.А. Генетическая модификация картофеля: достижения и перспективы // Вес. Нац. акад. навук Беларуа Сер. бiял. навук. №3, 2007. С. 110—115.

4. Генетические основы селекции растений. В 4 т. Т. 2. Частная генетика растений / Под науч. ред. Кильчевского А.В., Хотылевой Л.В. — Мн., 2010.

5. Кильчевский А.В., Лещина Н.Ю., Пугачева И.Г. Результаты селекции томата на холодостойкость и продуктивность с использованием гаметофит-но-спорофитного отбора // Овощеводство: Сб. науч. тр. Вып. 14. — Мн., 2008. С. 166—175.

Инновации в селекции

Петр ВАСЬКО, заместитель генерального директора по науке НПЦ НАН Беларуси по земледелию, кандидат биологических наук, доцент

Фестулолиум — новый перспективный вид многолетней злаковой травы, полученный путем межродового скрещивания овсяницы луговой или овсяницы тростниковой и райграса пастбищного или многоукосного с использованием экспериментальной полиплоидии. Нами разработаны новые сортообраз-цы культуры, которые характеризуются высоким содержанием белка — 18— 22%, низким содержанием клетчатки — 16—18% и концентрацией обменной энергии 11—11,8 МДж/кг сухого вещества при пастбищном использовании. При этом сбор белка с 1 га составил 1,4—1,8 т. Это самое лучшее сочетание качеств, ни у одной другой культуры его нет. Фактически в период пастбищной спелости, когда высота травостоя составляет 20—25 см, по уровню обменной энергии фестулолиум приравнивается к зерну кукурузы. Важно и то, что включение фестулолиума в клеверо-райграсовые пастбищные травосмеси позволяет формировать травостои с 7 циклами стравливания вместо 5—6.

Ядвига ПИЛЮК, руководитель лаборатории крестоцветных культур НПЦ НАН Беларуси по земледелию, кандидат сельскохозяйственных наук

Зимостойкие сорта озимого рапса, разработанные в нашей лаборатории, даже в сложнейших условиях этого года — при малом количестве снега и сильных морозах — перезимовали в Беларуси на 70%. Прежде в столь неблагоприятных условиях посеянное почти полностью погибало. Работы по созданию стрессоустойчивых сортов озимого рапса можно признать успешными. В последние годы сорта селек-

ции НПЦ НАН Беларуси по земледелию занимают более 95% от посевной площади рапса, новые внедряются очень быстро. Сейчас активно создаются новые гибриды, и отечественные хозяйства проявляют к ним большой интерес.

Нынешние успехи были бы невозможны без опоры на фундамент, созданный белорусскими исследователями за предыдущие два с половиной десятка лет научной работы, а также без активного участия в разработках молодых ученых — они составляют две трети сотрудников лаборатории.

Леонид ШИМАНСКИй, директор Полесского института растениеводства

В НПЦ по земледелию НАН Беларуси созданы гибриды кукурузы зернового направления, которые позволяют осуществить импортозамещение завозимых сортов западной селекции. Урожайность наших гибридов в условиях государственного сортоиспытания колеблется от 120 до 160 ц зерна на 1 га и до 300 ц сухого вещества. Это на 30—50% выше, чем у стандартных сортов. Кроме того, удалось получить уникальную холодостойкость и устойчивость к временной засухе, повышенное содержание сухого вещества, хорошую скороспелость. В условиях Беларуси это чрезвычайно важно. Надеемся, что уже в следующем году такая кукуруза будет выращиваться на полях не только в режиме испытаний. Достичь высоких показателей помогло то, что мы перестроили нашу селекционную практику. Исходим из параметров идеального сорта и подбираем родительские компоненты для создания гибридов интенсивного типа. Исходный материал, самоопыленные линии и т.п. — все белорусское. По этой разработке проводим процедуру патентования.

Подготовил Владимир ЛЕБЕДЕВ