Особенности идентификации желательных генотипов при разных схемах рекуррентной селекции

Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур 2004, вып. 1

ВНИИ масличных культур

А.Б. Дьяков,

кандидат биологических наук

ОСОБЕННОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЖЕЛАТЕЛЬНЫХ ГЕНОТИПОВ ПРИ РАЗНЫХ СХЕМАХ РЕКУРРЕНТНОЙ СЕЛЕКЦИИ

УДК 633.854.78:631.52

Рекуррентная селекция или периодический отбор (более точный перевод с английского в словаре Р. Ригера и А. Михаэлиса "периодически повторяющийся" отбор) является одним из наиболее фундаментальных понятий теории отбора, поэтому принципиальные положения рекуррентной селекции применимы к работе с любыми видами растений. Более того, применительно к определенному виду можно говорить только о конкретном типе рекуррентной селекции. Способы идентификации желательных генотипов тоже больше связаны не с биологическими особенностями селектируемого вида, а с типом рекуррентной селекции.

Использование методов рекуррентной селекции позволяет селекционеру особенно эффективно концентрировать желательные гены в селектируемом материале. Место рекуррентной селекции среди других фундаментальных понятий теории отбора можно определить, классифицировав основные типы отбора с учетом степени эффективности воздействия селекционера на генофонды популяций. В целом отбор может быть естественный или искусственный, последний подразделяется на бессознательный и методический (научная селекция). Исторически первым типом методического отбора была аналитическая селекция, которая позже заменялась синтетической селекцией, существующей в виде методов комбинационной и трансгрессивной типов селекции. На более позднем этапе к этим типам были добавлены еще и методы рекуррентной селекции.

Аналитическая селекция использовалась с целью отбора чистых линий из местных гетерогенных популяций самоопылителей. Один цикл такого отбора исчерпывает всю нефиксированную генотипическую изменчивость популяции, поэтому возможности этого типа селекции оказались ограниченными.

Синтетическая селекция основана на перекомбинации желательных признаков родительских генотипов путем гибридизации. Если такие признаки контролируются мо-ногенно или небольшим числом генов, то используются методы комбинационной синтетической селекции. Если же стоит задача улучшить путем скрещиваний урожайность, адаптивность и другие признаки, находящиеся под контролем большого числа генов с малыми фенотипическими эффектами, то используется трансгрессивная синтетическая селекция.

Если разные методы комбинационной селекции будут успешно использоваться еще долгое время, то сложней обстоит дело с трансгрессивной селекцией. В частности, на потенциал урожайности влияет большое число генов, локализованных в каждой хромосоме. Поэтому в расщепляющихся поколениях гибридов потенциально может образовываться огромное число генотипов. В простейшем случае в Р2 от скрещивания двух инбредных линий подсолнечника только за счет разного сочетания хромосом без учета обмена их генами при кроссинговере теоретически может возникнуть 129 миллионов генотипов, а объем популяции, содержащей все эти генотипы, как минимум должен достигать более 17 миллиардов растений, для выращивания которых потребовался бы питомник отбора площадью около 85900 га. Если же учесть еще и сложность

идентификации урожайных генотипов, надо признать справедливым вывод, к которому пришел Y. Sneep (1977), что возможность обнаружения растения со всеми желаемыми аллелями является просто иллюзией. Поэтому при надежном методе идентификации и при таких размерах питомников отбора, с которыми может работать селекционер, реально он может выявить генотипы, превосходящие средний для популяции уровень урожайности не более чем на 2-3 единицы среднеквадратического отклонения этого признака. При этом имеется в виду стандартное отклонение не фенотипическое (cph) и даже не генотипическое (cg), а генетическое, т. е. аддитивное (ад). Этот предел отбора ограничивает возможности использования методов трансгрессивной селекции как при работе с расщепляющимися гибридными популяциями самоопылителей, так и при отборах из популяций перекрестноопыляющихся культур.

Еще одним важным ограничением трансгрессивной селекции является то обстоятельство, что уникальные комплексы полигенов лучших генотипов не удается улучшить межсортовой гибридизацией, так как при трансгрессивных скрещиваниях такие комплексы генов разрушаются вследствие расщепления. Это особенно проявляется при использовании для скрещиваний сортов, обладающих уникальными особенностями адаптивности. Учитывая описанные ограничения трансгрессивной селекции, Ф. Эллиот пишет: "... хотя у каждого нового сорта, в котором скомбинированы признаки двух исходных сортов, и может быть отмечено некоторое улучшение, но вообще неверно, что путем перекомбинирования количественных признаков может быть достигнуто значительное улучшение в каком бы то ни было скрещивании".

Вследствие ограниченных возможностей трансгрессивной селекции после периода ее интенсивного использования и исчерпания ее потенциала замедлился селекционный прогресс. Это выразилось в том, что хорошие сорта и гибриды ряда культур в течение десятилетий занимали лидирующие позиции. Вследствие этого распространено мнение об уже достигнутых пределах селекции растений на урожайность и адаптивность. Однако эти пределы обусловлены не невозможностью достижения селекционного улучшения продукционных процессов, а недостаточно эффективным методом концентрации желательных аллелей в селектируемом материале. С целью преодоления описанных ограничений были разработаны принципы и методы рекуррентной селекции. С этой точки зрения интересна история селекции межлинейных гибридов кукурузы в США.

Селекция инбредных линий и создание межлинейных гибридов началась на многих сельскохозяйственных опытных станциях США в 1915-1920 гг. Сравнительное испытание гибридов разных лет селекции (Russell, 1985) показало, что гибриды, созданные до 1940 г. превосходили по урожайности сорта-популяции на 24,5 %, у созданных в период 1940-1950 гг. гибридов не наблюдалось роста урожайности, а после 1950 г. возросли темпы селекции гибридов на урожайность, в результате чего созданные к 1970 г. гибриды превышали сорта по урожайности на 57,5 %. Замедление темпоз селекции на урожайность было обусловлено исчерпанием возможностей трансгрессивной селекции линий вследствие того, что имевшаяся в исходных неулучшавшихся популяциях концентрация положительных генов не позволяла уже выявлять более превосходные генотипы даже при огромных масштабах селекции линий. Поэтому к 1940 г. Дженкинс разработал методику рекуррентной селекции исходных популяций кукурузы на повышение в них концентрации генов, положительно влияющих на уровень общей комбинационной способности. В 1945 г. Фред Халл предложил метод рекуррентной селекции на специфическую комбинационную способность, а в 1949 г. Комсток, Робинсон и Харви опубликовали разработанную ими методику реципрокной рекуррентной селекции. В результате использования этих методов для повышения концентрации желательных генов в исходных популяциях не только возобновились, но и ускорились темпы роста урожайности в процессе селекции линий и межлинейных гибридов кукурузы. В опытах с кукурузой показано, что в результате большого числа циклов отборов и рекомбинаций рекуррентная селекция может

обеспечить селекционный сдвиг количественного признака, равный двадцати величинам генетического среднеквадратического отклонения, тогда как предел возможностей трансгрессивной селекции равен лишь трем таким отклонениям.

Академик М.И. Хаджинов считал крайне важным использование методов рекуррентной селекция для повышения качественного уровня и эффективности работ по созданию гибридов и сортов возделываемых растений. По состоянию здоровья он не смог в 1980 г. приехать в г. Минск на Всесоюзное совещание научного совета по проблемам генетики и селекции АН СССР, но передал свое письменное обращение к участникам этого совещания. В этом обращении он написал: "Надо повернуть мозги всех селекционеров к рекуррентной селекции". Селекционеры разных стран мира во все большей мере понимают необходимость использования в своей работе принципов рекуррентной селекции, разные методы которой уже используются в программах создания гибридов и сортов не только таких перекрестноопыляющихся культур, как кукуруза, рожь, сахарная свекла, подсолнечник, но и самоопылителей - сои, арахиса, льна, пшеницы, ячменя, фасоли, вигны и других культур.

Поскольку исторически термин "рекуррентная селекция" впервые использовался в связи с результатами исследований, направленных на оптимизацию селекции инбред-ных линий и межлинейных гибридов, возникли ошибочные представления о критериях рекуррентной селекции. Высказываются представления, будто для методов рекуррентной селекции обязательны самоопыление и оценка на комбинационную способность. В таком случае, например, методы B.C. Пустовойта нельзя было бы считать вариантами рекуррентной селекции. В то же время даже название упомянутой выше статьи Дженкинса "Сегрегация генов, влияющих на урожай кукурузы" свидетельствует об ином принципе, лежащем в основе рекуррентной селекции. Совершенно не обоснованы также предложения использовать рекуррентную селекцию для создания селекционного материала подсолнечника, устойчивого к заразихе, поскольку при селекции на моногенные признаки проще и эффективней использовать методы комбинационной селекции.

Целью рекуррентной селекции является преодоление основных ограничений трансгрессивной селекции:

- нереальности обнаружения в расщепляющихся популяциях генотипов, гомозиготных по всем желательным генам, влияющим на такие сложные признаки как урожайность и адаптивность;

- ограниченности селекционного сдвига по количественным признакам двумя-тремя единицами генетического среднеквадратического отклонения;

- быстрого истощения наследственной изменчивости при высоких интенсивно-стях отборов из перекрестноопыляющихся популяций и при отборах из гибридных популяций самоопылителей;

- разрушения уникальных комплексов полигенов при попытках восстановления наследственной изменчивости межсортовыми скрещиваниями.

В соответствии с этим главное содержание принципов рекуррентной селекции заключается в постепенном накоплении частот желательных генов в последовательно селектируемой популяции при поддержании и мобилизации наследственной изменчивости без скрещиваний с другими популяциями. Это достигается проведением циклов отборов и скрещиванием лучших отобранных генотипов для рекомбинаций при поддержании оптимального размера популяций и умеренной интенсивности отборов, надежностью оценок отбираемых образцов на присутствие благоприятных аллелей и отбраковок нежелательных генотипов.

Важнейшим условием эффективности выполнения программ рекуррентной селекции является обеспечение достаточной надежности идентификации желательных и выбраковки нежелательных генотипов. Без этого нельзя избежать при отборах утраты ценных аллелей, невозможно обеспечить процесс концентрации желательных генов в

популяции и освобождение ее от вредных рецессивных аллелей, переходящих в гомозиготное состояние. В конкретных программах рекуррентной селекции для решения этих задач используются разные способы. С этой точки зрения все методы работы с перекре-стноопылителями можно разделить на две группы. В первую группу могут быть отнесены методы, использующие отборы с инбридингом выделенных растений, вторая группа включает методы, не требующие самоопыления элитных растений.

Методы первой группы применяются обычно в программах создания межлинейных гибридов. Сюда относятся методы рекуррентной селекции на общую комбинационную способность, на специфическую комбинационную способность и реципрокный рекуррентный отбор. Хотя опытами Ричи и Спрэга установлено, что рост урожайности гибридов обусловлен непосредственно накоплением частот благоприятных генов, а не физиологической стимуляцией продукционных процессов состоянием гетерозиготности, оценивать селектируемые линии на присутствие благоприятных аллелей можно только после снятия инбредной депрессии получением экспериментальных гибридов. При оценке урожайности и адаптивности тест-гибридов можно обеспечить любой уровень точности путем увеличения в опытах размеров делянок и числа повторностей, проведения испытаний в разных агроэкологических условиях. Недостатком такого способа отбора и идентификации желательных генотипов являются отсутствие оценок генотипов по фенотипам самоопыляемых растений, затраты большого количества средств и времени на создание линий и испытания тест-гибридов. Поэтому из-за недостатка средств точность испытаний может быть невысокой, вероятность выбора для самоопыления лучших растений в популяции еще ниже, а длительность селекции линий и испытаний их комбинационной способности приводит к тому, что для каждого цикла таких методов рекуррентной селекции требуется несколько лет.

Для методов рекуррентной селекции, не требующих создания инбредных линий, характерны более короткие циклы отборов и рекомбинаций. Предельно коротки такие циклы фенотипического рекуррентного отбора, используемого при селекции на количественные признаки с высоким коэффициентом наследуемости, фенотипически проявляющиеся до фазы цветения. За счет переопыления в сезон отбора выделенных по фенотипу растений цикл отбора и рекомбинаций завершается в течение одного лета (при селекции сахарной свеклы - два года).

При использовании рекуррентной селекции для улучшения признаков, проявляющихся фенотипически позже фазы цветения, продолжительность циклов отборов и рекомбинаций не может быть меньше двух поколений. Относящийся к такому типу метод селекции кукурузы был предложен еще в конце 19-го века Хопкинсом на Иллинойской опытной станции под названием початкорядного отбора. По технике выполнения и продолжительности циклов этот метод близок к методике улучшающего семеноводства сортов подсолнечника, разработанной B.C. Пустовойтом. Метод початкорядного отбора оказался очень эффективным при селекции кукурузы на повышение масличности зерна за счет увеличения в нем доли зародыша и на ряд других признаков. Однако его применение не привело к повышению урожайности. Этот факт был использован В.К. Морозовым в качестве довода для "доказательства" неэффективности разработанной B.C. Пустовойтом методики селекции подсолнечника. Однако вывод, к которому пришел Дж. Ф. Спрэг, свидетельствует о несостоятельности такого "доказательства": "... метод початкорядного отбора на урожайность не дал положительных результатов не вследствие неудовлетворительности его с генетической точки зрения, а вследствие неудовлетворительности технической стороны проведения отбора. Початкорядный отбор был эффективен в тех случаях, когда он проводился на такие признаки, которые мало зависят от влияния окружающей среды".

Справедливость этого вывода была подтверждена в шестидесятые годы, когда Лонквист разработал усовершенствованный вариант початкорядного отбора. Был моди-

фицирован главным образом способ изучения урожайности семей потомков элитных растений: испытания проводились в 4-кратной уовторности, использовались 4-рядные делянки. В результате повышения точности идентификации урожайных семей потомков использование початкорядного отбора стало эффективным и при селекции на урожайность.

С самого начала своей работы с подсолнечником B.C. Пустовойт разрабатывал методику селекции сортов на основе принципов рекуррентной селекции. После создания в 1916 г. первого своего сорта Круглик 7-15-163 с 1917 г. и до конца своей жизни он выдерживал принцип отбора селекционной элиты в основном из очередного лучшего селекционного сорта-популяции последнего выпуска. Необходимость этого B.C. Пустовойт не только доказал экспериментально путем сравнения изменчивости признаков популяций, полученных в результате очередных циклов отборов и рекомбинаций. Его описание теоретического обоснования этого принципа свидетельствует о ясном понимании им основ популяционной генетики. Важность работы постоянно с одним материалом для обеспечения повышения частот желательных генов в популяции он описывал так: "... у этой новой линии ... создаются новые возможности ... как в отношении большей частоты возникновения прогрессивных гибридных комбинаций по сравнению с сортом, из которого эта линия была выделена, так и в отношении таких гибридных комбинаций с повышенными и в количественном и в качественном отношениях положительными признаками, которые в исходном сорте не могли быть выявлены" (подчеркнуто B.C. Пустовойтом).

Первую серию сортов В С. Пустовойт создал на основе довольно тесного инбридинга, так как каждый очередной отбор родоначального растения производился из предыдущей семьи после рекомбинации генов особей в пределах этой семьи полусибов. Несмотря на быстрое увеличение суммарного коэффициента инбридинга при многократном индивидуальном отборе, B.C. Пустовойт избегал использования скрещиваний с другими сортами и, особенно, с образцами коллекции ВИР для восстановления уровня гетерозиготности. Вместо этого он ужесточал выбраковку семей, проявлявших признаки инбредной депрессии, а позже ввел питомник направленного переопыления для ограничения роста инбридинга и усиления процессов рекомбинации при регулируемом обмене генами между особями лучших, но также близкородственных семей, высеянных на соседних делянках.

B.C. Пустовойт неоднократно отмечал, что селекционер должен уметь отбирать в популяциях растения, являющиеся гибридными комбинациями с уникальным сочетанием хозяйственных признаков. Метод идентификации таких гибридов он разрабатывал в течение 15 лет. За эти годы им было проведено сравнительное изучение эффективности отборов по разным сочетаниям признаков при селекции сортов на увеличение сборов масла с гектара. Из большого числа изученных вариантов эффективным при селекции на увеличение сборов масла оказался только один, при котором оценивали по масличности семян (ядер семянок) каждую отдельную корзинку наиболее ценных потомств, выращиваемых в пространственно удаленных изоляторах.

При описании этого достижения B.C. Пустовойт не только отметил, что это оказалось весьма существенным дополнением к методике селекции подсолнечника, обусловившим перелом в ее результативности, но и выделил в тексте статьи разрядкой слова "отдельную корзинку". Эти слова имеют принципиальное значение по той причине, что возникающие в каждом поколении перекрестноопыляющейся популяции уникальные генотипы не воспроизводятся в последующих поколениях. Выявление и отбор таких генотипов по их фенотипам оказались возможными потому, что высокая масличность ядер семянок является показателем способности элитного растения накапливать в семенах максимальное количество масла на единицу количества поглощенного из почвы азота. Это свидетельствует о том, что такие генотипы подсолнечника способны наиболее эф-

фективно использовать ресурсы внешней среды, поэтому они отличаются высокими урожаями ядер семянок и сборами масла с единицы площади посева.

Важнейшей предпосылкой эффективности любой программы рекуррентной селекции является надежное выявление генотипов с максимальным уровнем основного селекционного признака. Для подсолнечника основным признаком является сбор масла с гектара, который возрастает в процессе селекции за счет увеличения урожаев семян (ядер семянок). Их масличность при этом повышается в силу так называемого "эффекта ростового разбавления азота". Вследствие этого наследственно обусловленное увеличение сборов масла с делянки испытания семьи потомков связано со строго определенным ростом масличности семян (ядер семянок). Поэтому лучшие семьи B.C. Пустовойт выявлял по увеличенному сбору масла с однорядной делянки при условии, что масличность ядер их семянок также повышена. Семьи, у которых высокий сбор масла сочетался с низкой масличность, он браковал, т. к. при таком сочетании увеличен сбор белка вследствие захвата растениями такой семьи дополнительной площади в междурядьях. Этот способ позволял эффективно отбраковывать высококонкурентоспособные семьи, повышенная продуктивность которых проявляется на не имеющих защитных рядов однорядных делянках. но увеличивать сборы масла с гектара такие генотипы не могут.

Многолетний опыт отборов по сочетанию сборов масла с делянки и масличности ядер семянок позволил B.C. Пустовойту все более надежно выявлять ценные семьи, поэтому он с течением времени последовательно уменьшал число повторностей в питомниках оценок потомств с 4 до 2, не только не снижая при этом результативность селекции, но повышая ее. В итоге это позволило ему разработать методику улучшающего семеноводства сортов подсолнечника, при которой испытание семей потомков проводилось только один год и без повторностей, а скрещивание выделившихся потомств для получения рекомбинаций происходило в семенном питомнике. В сочетании с эффективным отбором элитных растений по соотношению масличности и величины урожая семян использование такого метода оценки семей их потомков позволяло настолько надежно выявлять желательные генотипы, что уже в процессе разработки методики улучшающего семеноводства с 1946 по 1950 гг. за 4 года, т. е. за два цикла отборов, масличность семянок сорта ВНИИМК 1646 была повышена на 5,14 %, а сбор масла - на 116 кг/га.

После получения этого доказательства высокой эффективности нового метода улучшающего семеноводства B.C. Пустовойт начал вести такую работу с другими районированными сортами подсолнечника и в итоге в 1971 г. сорта ВНИИМК 1646, ВНИИМК 8883, ВНИИМК 6540, ВНИИМК 8931 и Передовик, а в 1972 г. сорт Смена были официально признаны улучшенными. B.C. Пустовойт особо подчеркивал, что такое семеноводство, построенное на той же принципиальной основе, на которой построена и селекция, обеспечивало ежегодное существенное повышение сборов масла всех улучшаемых сортов. Важно, что у всех этих сортов скорость увеличения сборов масла и масличности семянок за счет семеноводства не уступала темпам повышения этих показателей, достигаемым при создании новых сортов. Поэтому, например, созданный в 1937 г. сорт ВНИИМК 1646 занимал большие площади в производстве и после районирования в i960 г. сортов Передовик и Смена. Такая результативность методики улучшающего семеноводства является доказательством как надежности выявления желательных генотипов при отборах растений семеноводческой элиты и при оценках их потомств, так и эффективности процессов рекомбинаций в семенных питомниках, а также сохранения уровня гетерозиготности в популяциях. Эта методика является вариантом рекуррентной селекции с предельно короткими циклами отборов, испытаний и генетических рекомбинаций при работе с признаками, проявляющимися после фазы цветения.

В статье 1971 года в № 3 журнала "Вестник сельскохозяйственной науки" B.C. Пустовойт подчеркнул, что разработанные им методы эффективны не только при селекции и улучшающем семеноводстве сортов, но их значение еще больше для обеспе-

чения исходным материалом селекции родительских линий для создания межлинейных гибридов подсолнечника. Опыт попыток осуществления во ВНИИМКе программы рекуррентной селекции линий подсолнечника с использованием инбридинга, оценки комбинационной способности и создания синтетиков оказался недостаточно эффективным вследствие длительности отдельного цикла такой программы. За время осуществления такого цикла кардинально изменились требования к создаваемым гибридам, поэтому оказалось нарушенным важное требование рекуррентной селекции - постепенное накопление частот положительных генов в одном материале серией последовательных циклов отборов и рекомбинаций. Поэтому следует серьезно отнестись к рекомендуемому академиком B.C. Пустовойтом подходу повышения короткими циклами ценности исходного материала для создания линий. Такой подход эффективен при надежной идентификации желательных генотипов, требует меньше сил и средств, позволяет более стабильно вести селекцию. Недостатком такого исходного материала при селекции линий является высокая концентрация генов самонесовместимости. Однако это преодолимо и эта преграда не была препятствием для использования сортов подсолнечника селекции ВНИИМК в качестве основы высокой продуктивности межлинейных гибридов подсолнечника во всем мире.

Достижения академика B.C. Пустовойта являются неоспоримым доказательством высокой эффективности использования принципов рекуррентной селекции в процессе создания и улучшающего семеноводства сортов-популяций подсолнечника. Однако в настоящее время при их селекции с очень низкой надежностью идентифицируются желательные генотипы как при отборах элитных растений из популяций, так и при выявлении в питомниках оценки потомств семей с повышенными сборами масла с единицы площади посева. По этой же причине прекратилось повышение продуктивности сортов в процессе их первичного семеноводства. В значительной степени это обусловлено тем, что уже многие годы при селекции и первичном семеноводстве сортов подсолнечника не используется показатель масличность семян (ядер семянок) или какой-либо иной признак - индикатор способности элитных растений и семей их потомков обеспечивать высокие сборы масла и урожаи ядер семянок с гектара посева. Поэтому разработке системы методов надежной идентификации продуктивных в агроценозах генотипов подсолнечника с учетом приближения к пределу масличности семян должно уделяться первостепенное внимание при возрождении методов работы с популяциями подсолнечника, разработанных B.C.Пустовойтом. Важно адаптировать это наследие к современным условиям с использованием современных достижений теории отбора, популяционной и биометрической генетик, частной физиологии подсолнечника. Например, использованием разработанной во ВНИИМК методики фенотипического рекуррентного стабилизирующего отбора можно сорта-популяции подсолнечника приблизить по выравненное™ к межлинейным гибридам.