Основи на растителната селекция: Създаване на нови сортове чрез селективно размножаване

Растителната селекция е изкуство и наука за промяна на характеристиките на растенията, за да се получат желани свойства. Практикува се от хиляди години, като започва с ранните земеделци, които избират най-добрите семена от всяка реколта за засаждане на следващото поколение. Днес растителната селекция съчетава традиционни техники с модерни технологии за създаване на подобрени сортове, които са по-продуктивни, устойчиви на болести и адаптивни към различни условия на околната среда. Тази статия предоставя цялостен преглед на растителната селекция, фокусирайки се върху селективното размножаване, един от най-старите и най-широко използвани методи.

Какво е селективно размножаване?

Селективното размножаване, известно още като изкуствен подбор, е процесът на избиране на растения с желани характеристики и използването им като родители за производството на следващото поколение. Този процес се повтаря в продължение на много поколения, като постепенно се подобряват желаните характеристики в популацията. За разлика от генното инженерство, селективното размножаване работи в рамките на естествената генетична вариабилност, която вече съществува в рамките на растителния вид. То не въвежда чужди гени от други видове. Това е метод за насочване на еволюционния процес в посока, която е от полза за хората.

Принципи на селективното размножаване

Селективното размножаване се основава на няколко ключови принципа:

• Вариабилност: Индивидите в рамките на една популация трябва да показват вариабилност в интересуващите характеристики. Без вариабилност няма от какво да се избира. Тази вариабилност възниква от генетични разлики между индивидите.
• Наследяемост: Желаните характеристики трябва да са наследствени, което означава, че те могат да бъдат предадени от родители на потомство. Характеристики, които са силно повлияни от околната среда, може да бъдат трудни за подобряване чрез селективно размножаване.
• Селекция: Селекционерите трябва да могат да идентифицират и избират индивиди с най-добро проявление на желаните характеристики. Това изисква внимателно наблюдение, измерване и оценка.
• Размножаване: Избраните индивиди трябва да могат да се размножават, било то чрез самоопрашване, кръстосано опрашване или вегетативно размножаване.

Стъпки в селективното размножаване

Процесът на селективно размножаване обикновено включва следните стъпки:

1. Определяне на целите за селекция

Първата стъпка е ясното определяне на целите за селекция. Какви са желаните характеристики, които искате да подобрите? Примерите включват:

• Повишен добив (напр. повече зърна на растение, по-големи плодове)
• Подобрена устойчивост на болести (напр. устойчивост на гъбични, бактериални или вирусни заболявания)
• Подобрено хранително съдържание (напр. по-високи нива на витамини, минерали или протеини)
• По-добра адаптация към специфични среди (напр. толерантност към суша, студоустойчивост)
• Подобрени качествени характеристики (напр. по-добър вкус, текстура или външен вид)

Целите за селекция трябва да бъдат конкретни, измерими, постижими, релевантни и времево определени (SMART). Например, цел за селекция може да бъде разработването на сорт пшеница с 20% по-висок добив на зърно в райони, податливи на суша, в рамките на пет години.

2. Избор на родителски растения

След като целите за селекция са определени, следващата стъпка е да се изберат родителски растения, които притежават желаните характеристики. Това включва оценка на голям брой растения и избор на индивидите, които най-добре отговарят на целите за селекция. Селекционерите често разглеждат множество характеристики едновременно, тъй като подобряването на една характеристика понякога може да повлияе неблагоприятно на друга. Източници на родителски растения могат да бъдат:

• Местни сортове (Landraces): Местно адаптирани сортове, които са били разработени от земеделци през поколенията. Местните сортове често притежават широк спектър от генетично разнообразие и могат да бъдат ценни източници на гени за устойчивост на болести, толерантност към стрес и уникални качествени характеристики.
• Наследствени сортове (Heirloom Varieties): Сортове с отворено опрашване, които са били предавани през семейства или общности в продължение на много години. Подобно на местните сортове, наследствените сортове могат да бъдат източник на уникални характеристики и генетично разнообразие.
• Селекционни линии (Breeding Lines): Растения, които са били предварително избрани и подобрени чрез селекционни програми. Селекционните линии често имат комбинация от желани характеристики и могат да бъдат използвани като родители за създаване на още по-добри сортове.
• Диви родственици (Wild Relatives): Диви видове, които са тясно свързани с култивираните култури. Дивите родственици могат да бъдат ценен източник на гени за устойчивост на болести, толерантност към стрес и други характеристики, които може да липсват в култивираните сортове. Въпреки това, кръстосването на култивирани култури с диви родственици може да бъде предизвикателство и може да изисква специални техники.
• Генни банки (Gene Banks): Колекции от семена или друг растителен материал, които се поддържат за цели на опазване и селекция. Генните банки са важен ресурс за селекционери, които търсят достъп до широк спектър от генетично разнообразие. Примерите включват Глобалния банков за семена Свалбард в Норвегия и националните генни банки по света.

Процесът на селекция може да се основава на визуално наблюдение, измерване на характеристики (напр. височина на растението, размер на плода, добив) или лабораторни анализи (напр. тестване за устойчивост на болести или хранително съдържание). В някои случаи селекционерите използват маркерно-асистирана селекция (MAS) – техника, която използва ДНК маркери за идентифициране на растения, които носят специфични гени за желани характеристики. MAS може да ускори процеса на селекция и да го направи по-ефективен.

3. Осъществяване на кръстосване

След като родителските растения са избрани, следващата стъпка е да се направят кръстосвания между тях. Това включва пренасяне на прашец от мъжкия родител към женския родител. Конкретният метод, използван за кръстосване, зависи от растителния вид и неговата репродуктивна биология. Някои растения са самоопрашващи се, което означава, че могат да се самооплождат. Други са кръстосано опрашващи се, което означава, че се нуждаят от прашец от друго растение, за да бъдат оплодени.

При кръстосано опрашващи се растения селекционерите често използват ръчно опрашване, за да контролират кръстосванията и да гарантират, че се използват желаните родители. Това включва внимателно отстраняване на тичинките (органите, произвеждащи прашец) от женския родител, за да се предотврати самоопрашване, и след това пренасяне на прашец от мъжкия родител върху близалцето (рецептивната повърхност на женския цвят). След това цветовете се покриват, за да се предотврати нежелано опрашване от други растения или насекоми.

Семената, получени от кръстосванията, се наричат F1 (първо филално поколение). Растенията F1 са хибриди, което означава, че те имат комбинация от гени от двамата родители. Поколението F1 често е еднородно и може да прояви хибридна сила (хетерозис), което означава, че те са по-силни и по-продуктивни от който и да е от техните родители.

4. Оценка и селекция на потомството

Следващата стъпка е отглеждането на растенията F1 и оценката на тяхното представяне. Това включва засаждане на семената в поле или оранжерия и наблюдение на техния растеж, развитие и добив. Селекционерите внимателно измерват и записват данни за интересуващите характеристики, като височина на растението, време на цъфтеж, устойчивост на болести и добив. В някои случаи те могат да проведат и лабораторни тестове за оценка на хранителното съдържание или качеството на културата.

Въз основа на събраните данни селекционерите избират най-добре представилите се растения, които да бъдат използвани като родители за следващото поколение. Този процес се повтаря в продължение на няколко поколения, като постепенно се подобряват желаните характеристики в популацията. Във всяко поколение селекционерите избират растенията, които най-добре отговарят на целите за селекция, и изоставят останалите.

Процесът на селекция може да бъде предизвикателство, тъй като поколението F1 често се разпада по различни характеристики. Това означава, че потомството на растенията F1 ще покаже широк спектър от вариабилност, което затруднява идентифицирането на най-добрите индивиди. Селекционерите често отглеждат големи популации от растения, за да увеличат шансовете за намиране на желаната комбинация от характеристики.

5. Стабилизиране на сорта

След няколко поколения селекция, получените растения стават по-еднородни и стабилни за желаните характеристики. Това означава, че потомството ще прилича повече на родителите си. За да се стабилизира сорт, селекционерите често използват инбридинг, който включва кръстосване на растения със себе си или с близкородствени индивиди. Инбридингът увеличава хомозиготността на растенията, което означава, че те имат повече идентични копия на всеки ген. Това намалява генетичната вариабилност в популацията и прави сорта по-предсказуем.

Инбридингът може също да има негативни ефекти, като намалена жизненост и плодовитост. Това е известно като инбридингова депресия. За да се избегне инбридингова депресия, селекционерите често използват други техники, като например едносеменно потомство (SSD), което включва избор на едно семе от всяко растение във всяко поколение. SSD позволява на селекционерите да поддържат голямо количество генетично разнообразие, като същевременно постепенно подобряват желаните характеристики.

6. Тестване и пускане на пазара

След като един сорт е стабилизиран, той трябва да бъде тестван, за да се гарантира, че се представя добре в различни среди и при различни практики за управление. Това включва провеждане на полеви изпитвания на множество места и сравняване на представянето на новия сорт с вече съществуващи сортове. Изпитванията са предназначени да оценят добива, устойчивостта на болести, качеството и адаптивността на новия сорт.

Ако новият сорт се представи добре в изпитванията, той може да бъде пуснат на земеделците. Процесът на пускане на пазара обикновено включва получаване на официална регистрация или сертификация от държавен орган. Това гарантира, че сортът отговаря на определени стандарти за качество и представяне. Селекционерите също трябва да разработят стратегия за производство и дистрибуция на семена, за да осигурят достъп на земеделците до новия сорт.

Примери за успешни истории в селективното размножаване

Селективното размножаване е от решаващо значение за подобряването на културите и добитъка по света. Ето няколко примера:

• Пшеница: Селективното размножаване драматично е увеличило добивите от пшеница през последния век. Съвременните сортове пшеница са по-продуктивни, устойчиви на болести и адаптирани към по-широк спектър от среди от техните предшественици. Зелената революция, ръководена от Норман Борлауг, силно разчита на селективното размножаване на високодобивни сортове пшеница за борба с глада в развиващите се страни.
• Ориз: Подобно на пшеницата, селективното размножаване значително е увеличило добивите от ориз, особено в Азия. Разработването на нискорастящи сортове ориз, като IR8, беше голям пробив в борбата срещу продоволствената несигурност.
• Царевица: Селективното размножаване е трансформирало царевицата от сравнително непродуктивна култура в една от най-важните култури в света. Съвременните сортове царевица са много по-продуктивни, устойчиви на болести и толерантни към стрес от техните предшественици. Хибридната царевица, която се произвежда чрез кръстосване на две различни инбредни линии, показва високи нива на хибридна сила.
• Домати: Селективното размножаване е довело до широк спектър от сортове домати с разнообразни форми, размери, цветове и вкусове. Селекционерите също са разработили сортове домати, които са устойчиви на често срещани болести и вредители.
• Добитък: Селективното размножаване се използва за подобряване на продуктивността и качеството на добитъка от векове. Например, селекционерите са избирали крави, които произвеждат повече мляко, кокошки, които снасят повече яйца, и прасета, които растат по-бързо и по-крехко.

Това са само няколко примера за многото успешни истории на селективното размножаване. Селективното размножаване е изиграло решаваща роля за подобряване на продоволствената сигурност, храненето и поминъка по света.

Предимства и недостатъци на селективното размножаване

Селективното размножаване предлага няколко предимства:

• Сравнително просто и евтино: Селективното размножаване е сравнително проста и евтина техника, която може да бъде използвана от селекционери с ограничени ресурси.
• Работи в рамките на естествената вариабилност: Селективното размножаване работи в рамките на естествената генетична вариабилност, която вече съществува в рамките на вида. Това избягва необходимостта от въвеждане на чужди гени от други видове.
• Може да подобри множество характеристики едновременно: Селективното размножаване може да се използва за подобряване на множество характеристики едновременно.
• Води до стабилни сортове: Селективното размножаване може да доведе до разработване на стабилни сортове, които запазват желаните си характеристики през много поколения.

Въпреки това, селективното размножаване има и някои недостатъци:

• Бавен процес: Селективното размножаване може да бъде бавен процес, който изисква много поколения, за да се постигнат значителни подобрения.
• Ограничено от наличната вариабилност: Селективното размножаване е ограничено от количеството генетична вариабилност, налична в рамките на един вид. Ако желаната характеристика не присъства в популацията, тя не може да бъде въведена само чрез селективно размножаване.
• Може да доведе до инбридингова депресия: Инбридингът, който често се използва за стабилизиране на сортове, може да доведе до инбридингова депресия, която може да намали жизнеността и плодовитостта.
• Може неволно да подбере нежелани характеристики: Селективното размножаване може неволно да подбере нежелани характеристики, които са свързани с желаните характеристики.

Модерни техники, допълващи селективното размножаване

Докато традиционното селективно размножаване остава основно, модерните технологии подобряват неговата ефективност и точност:

Маркерно-асистирана селекция (MAS)

MAS използва ДНК маркери, свързани с желани гени, за да идентифицира растения, притежаващи тези гени в ранния етап на развитие. Това ускорява процеса на селекция, особено за характеристики, които са трудни или скъпи за директно измерване (напр. устойчивост на болести).

Геномика и биоинформатика

Напредъкът в геномиката позволява на селекционерите да анализират целия геном на растенията, идентифицирайки гени, контролиращи важни характеристики. Биоинформатичните инструменти се използват за управление и анализ на огромното количество данни, генерирани от геномни проучвания.

Високопроизводително фенотипиране

Високопроизводителното фенотипиране използва автоматизирани системи и сензори за бързо измерване на растителни характеристики в голям мащаб. Това позволява на селекционерите да оценяват повече растения по-точно, подобрявайки ефективността на селекцията.

Двойни хаплоиди

Технологията на двойните хаплоиди ускорява процеса на селекция, като създава напълно хомозиготни растения в едно поколение. Това елиминира необходимостта от множество поколения самоопрашване за постигане на стабилност.

Редактиране на генома

Техники като CRISPR-Cas9 позволяват на селекционерите прецизно да редактират гени в растенията, въвеждайки желани характеристики или премахвайки нежелани. Макар и да не е селективно размножаване само по себе си, редактирането на генома може да допълни селективното размножаване чрез създаване на нова вариабилност или коригиране на дефекти.

Бъдещето на растителната селекция

Растителната селекция е изправена пред множество предизвикателства през 21-ви век, включително:

• Климатични промени: Разработване на сортове, които са адаптирани към променящите се климатични условия, включително повишена суша, горещина и наводнения.
• Нововъзникващи болести и вредители: Разработване на сортове, които са устойчиви на нови и развиващи се болести и вредители.
• Нарастващо търсене на храна: Увеличаване на добивите от култури, за да се отговори на нарастващото търсене на храна от растящото глобално население.
• Устойчиво селско стопанство: Разработване на по-устойчиви сортове, изискващи по-малко вода, торове и пестициди.
• Хранителна сигурност: Подобряване на хранителното съдържание на културите за справяне с недохранването и дефицита на микронутриенти. Биофортификацията, процесът на увеличаване на хранителното съдържание на културите чрез селекция или генно инженерство, е важна стратегия за подобряване на хранителната сигурност.

За да се справят с тези предизвикателства, растителната селекция ще трябва да продължи да иновира и да приема нови технологии. Това включва използването на напреднали техники като геномика, редактиране на генома и високопроизводително фенотипиране. Необходимо е също така насърчаване на сътрудничеството между селекционери, изследователи и земеделци, за да се гарантира, че новите сортове са добре адаптирани към местните условия и отговарят на нуждите на земеделците.

Етични съображения

Растителната селекция също повдига няколко етични въпроса:

• Достъп до семена: Гарантиране, че земеделците имат достъп до достъпни и висококачествени семена. Семенните компании често патентоват нови сортове, което може да ограничи достъпа и да увеличи цената на семената.
• Генетично разнообразие: Опазване на генетичното разнообразие в културите. Широкото приемане на няколко високодобивни сорта може да доведе до загуба на генетично разнообразие, правейки културите по-уязвими на болести и вредители.
• Въздействие върху дребните земеделци: Гарантиране, че новите сортове са от полза за дребните земеделци в развиващите се страни. Някои нови сортове може да изискват скъпи вложения или практики за управление, които не са достъпни за дребните земеделци.
• Прозрачност и ангажираност на обществото: Ангажиране на обществото в дискусии относно растителната селекция и осигуряване на прозрачност и отчетност на процеса.

Справянето с тези етични съображения е от съществено значение за гарантиране, че растителната селекция допринася за по-устойчива и справедлива хранителна система.

Заключение

Селективното размножаване е мощен инструмент за подобряване на растенията и е изиграло жизненоважна роля за увеличаване на производството на храни и подобряване на човешкото благосъстояние. Като разбират принципите и техниките на селективното размножаване, селекционерите могат да разработят подобрени сортове, които са по-продуктивни, устойчиви на болести и адаптивни към променящите се среди. Докато сме изправени пред нови предизвикателства като климатичните промени и нарастващото глобално население, растителната селекция ще продължи да бъде от съществено значение за осигуряване на продоволствена сигурност и устойчиво бъдеще. Интеграцията на модерни технологии, съчетана с ангажимент към етични и устойчиви практики, ще бъде от решаващо значение за максимално увеличаване на ползите от растителната селекция за всички.