Основы селекции растений: Создание новых сортов посредством селективного разведения

Селекция растений — это искусство и наука изменения признаков растений для получения желаемых характеристик. Ею занимаются тысячи лет, начиная с первых фермеров, которые отбирали лучшие семена из каждого урожая для посадки следующего поколения. Сегодня селекция растений сочетает традиционные методы с современными технологиями для создания улучшенных сортов, которые более продуктивны, устойчивы к болезням и адаптированы к различным условиям окружающей среды. В этой статье представлен комплексный обзор селекции растений, посвященный селективному разведению — одному из старейших и наиболее широко используемых методов.

Что такое селективное разведение?

Селективное разведение, также известное как искусственный отбор, — это процесс отбора растений с желаемыми признаками и использования их в качестве родителей для получения следующего поколения. Этот процесс повторяется на протяжении многих поколений, постепенно улучшая желаемые признаки в популяции. В отличие от генной инженерии, селективное разведение работает в рамках естественной генетической изменчивости, уже существующей в пределах вида растения. Оно не вводит чужеродные гены из других видов. Это метод направления эволюционного процесса в направлении, выгодном для человека.

Принципы селективного разведения

Селективное разведение основывается на нескольких ключевых принципах:

• Изменчивость: Индивиды в популяции должны проявлять изменчивость интересующих признаков. Без изменчивости нечего отбирать. Эта изменчивость возникает из-за генетических различий между индивидами.
• Наследуемость: Желаемые признаки должны быть наследственными, то есть они могут передаваться от родителей потомству. Признаки, на которые сильно влияет окружающая среда, может быть трудно улучшить посредством селективного разведения.
• Отбор: Селекционеры должны уметь выявлять и отбирать индивидов с наилучшим проявлением желаемых признаков. Это требует тщательного наблюдения, измерения и оценки.
• Размножение: Отобранные индивиды должны иметь возможность размножаться, будь то самоопыление, перекрестное опыление или вегетативное размножение.

Этапы селективного разведения

Процесс селективного разведения обычно включает следующие этапы:

1. Определение целей селекции

Первым шагом является четкое определение целей селекции. Какие желаемые признаки вы хотите улучшить? Примеры включают:

• Повышение урожайности (например, больше зерна на растение, более крупные плоды)
• Улучшение устойчивости к болезням (например, устойчивость к грибковым, бактериальным или вирусным заболеваниям)
• Повышение питательной ценности (например, более высокие уровни витаминов, минералов или белка)
• Лучшая адаптация к специфическим условиям окружающей среды (например, засухоустойчивость, морозостойкость)
• Улучшение качественных признаков (например, лучший вкус, текстура или внешний вид)

Цели селекции должны быть конкретными, измеримыми, достижимыми, актуальными и ограниченными по времени (SMART). Например, целью селекции может быть разработка сорта пшеницы с урожайностью зерна на 20% выше в засушливых районах в течение пяти лет.

2. Отбор родительских растений

После определения целей селекции следующим шагом является отбор родительских растений, обладающих желаемыми признаками. Это включает оценку большого количества растений и выбор особей, наилучшим образом соответствующих целям селекции. Селекционеры часто учитывают несколько признаков одновременно, поскольку улучшение одного признака иногда может негативно сказаться на другом. Источниками родительских растений могут быть:

• Местные сорта (Landraces): Локально адаптированные сорта, которые были выведены фермерами на протяжении многих поколений. Местные сорта часто обладают широким спектром генетического разнообразия и могут быть ценным источником генов устойчивости к болезням, стрессоустойчивости и уникальных качественных признаков.
• Старинные сорта (Heirloom Varieties): Самоопыляющиеся сорта, которые передавались из поколения в поколение в семьях или сообществах в течение многих лет. Как и местные сорта, старинные сорта могут быть источником уникальных признаков и генетического разнообразия.
• Селекционные линии (Breeding Lines): Растения, которые были предварительно отобраны и улучшены в рамках селекционных программ. Селекционные линии часто обладают комбинацией желаемых признаков и могут использоваться в качестве родителей для создания еще лучших сортов.
• Дикие родственники (Wild Relatives): Дикие виды, которые тесно связаны с культивируемыми культурами. Дикие родственники могут быть ценным источником генов устойчивости к болезням, стрессоустойчивости и других признаков, которые могут отсутствовать у культивируемых сортов. Однако скрещивание культивируемых культур с дикими родственниками может быть сложным и требовать специальных методов.
• Генные банки (Gene Banks): Коллекции семян или другого растительного материала, которые хранятся для целей сохранения и селекции. Генные банки являются важным ресурсом для селекционеров, стремящихся получить доступ к широкому спектру генетического разнообразия. Примерами являются Глобальное хранилище семян Шпицбергена в Норвегии и национальные генные банки по всему миру.

Процесс отбора может основываться на визуальном наблюдении, измерении признаков (например, высота растения, размер плода, урожайность) или лабораторном анализе (например, тестирование на устойчивость к болезням или питательную ценность). В некоторых случаях селекционеры используют маркер-ассоциированную селекцию (MAS) — метод, который использует ДНК-маркеры для идентификации растений, несущих определенные гены желаемых признаков. MAS может ускорить процесс селекции и сделать его более эффективным.

3. Проведение скрещиваний

После отбора родительских растений следующим шагом является проведение скрещиваний между ними. Это включает перенос пыльцы от мужского родителя к женскому. Конкретный метод, используемый для скрещивания, зависит от вида растения и его репродуктивной биологии. Некоторые растения являются самоопыляющимися, то есть они могут самооплодотворяться. Другие — перекрестноопыляющиеся, то есть им требуется пыльца от другого растения для оплодотворения.

У перекрестноопыляющихся растений селекционеры часто используют ручное опыление для контроля скрещиваний и обеспечения использования желаемых родителей. Это включает тщательное удаление пыльников (органов, производящих пыльцу) у женского родителя для предотвращения самоопыления, а затем перенос пыльцы от мужского родителя на рыльце пестика (восприимчивую поверхность женского цветка). Затем цветы накрывают, чтобы предотвратить нежелательное опыление другими растениями или насекомыми.

Семена, полученные в результате скрещиваний, называются F1 (первое гибридное поколение). Растения F1 являются гибридами, то есть они обладают комбинацией генов от обоих родителей. Поколение F1 часто является однородным и может проявлять гибридную силу (гетерозис), то есть оно более жизнеспособно и продуктивно, чем любой из его родителей.

4. Оценка и отбор потомства

Следующим шагом является выращивание растений F1 и оценка их характеристик. Это включает посадку семян в поле или теплице и наблюдение за их ростом, развитием и урожайностью. Селекционеры тщательно измеряют и записывают данные по интересующим признакам, таким как высота растения, время цветения, устойчивость к болезням и урожайность. В некоторых случаях они также проводят лабораторные тесты для оценки питательной ценности или качества урожая.

На основе собранных данных селекционеры отбирают наиболее продуктивные растения для использования в качестве родителей следующего поколения. Этот процесс повторяется в течение нескольких поколений, постепенно улучшая желаемые признаки в популяции. В каждом поколении селекционеры отбирают растения, которые наилучшим образом соответствуют целям селекции, и выбраковывают остальные.

Процесс отбора может быть сложным, поскольку поколение F1 часто расщепляется по различным признакам. Это означает, что потомство растений F1 будет демонстрировать широкий спектр изменчивости, что затрудняет идентификацию лучших особей. Селекционеры часто выращивают большие популяции растений, чтобы увеличить шансы найти желаемую комбинацию признаков.

5. Стабилизация сорта

После нескольких поколений отбора полученные растения становятся более однородными и стабильными по желаемым признакам. Это означает, что потомство будет больше похоже на своих родителей. Для стабилизации сорта селекционеры часто используют инбридинг, который включает скрещивание растений с самим собой или с близкородственными индивидами. Инбридинг увеличивает гомозиготность растений, то есть они имеют больше идентичных копий каждого гена. Это снижает генетическую изменчивость в популяции и делает сорт более предсказуемым.

Инбридинг также может иметь негативные последствия, такие как снижение жизнеспособности и плодовитости. Это известно как инбредная депрессия. Чтобы избежать инбредной депрессии, селекционеры часто используют другие методы, такие как одиночный посевной отбор (SSD), который включает отбор одного семени от каждого растения в каждом поколении. SSD позволяет селекционерам сохранять большое количество генетического разнообразия, постепенно улучшая желаемые признаки.

6. Тестирование и выпуск

После стабилизации сорта его необходимо протестировать, чтобы убедиться, что он хорошо себя показывает в различных условиях и при различных методах ведения сельского хозяйства. Это включает проведение полевых испытаний в нескольких местах и сравнение характеристик нового сорта с существующими сортами. Испытания предназначены для оценки урожайности, устойчивости к болезням, качества и адаптивности нового сорта.

Если новый сорт показывает хорошие результаты в испытаниях, он может быть выпущен для фермеров. Процесс выпуска обычно включает получение официальной регистрации или сертификации от государственного органа. Это гарантирует, что сорт соответствует определенным стандартам качества и производительности. Селекционерам также необходимо разработать стратегию производства и распространения семян, чтобы фермеры имели доступ к новому сорту.

Истории успеха селективного разведения

Селективное разведение сыграло важную роль в улучшении сельскохозяйственных культур и скота по всему миру. Вот несколько примеров:

• Пшеница: Селективное разведение значительно увеличило урожайность пшеницы за последнее столетие. Современные сорта пшеницы более продуктивны, устойчивы к болезням и адаптированы к более широкому спектру условий, чем их предшественники. Зеленая революция, возглавляемая Норманом Борлаугом, в значительной степени опиралась на селективное разведение высокоурожайных сортов пшеницы для борьбы с голодом в развивающихся странах.
• Рис: Как и в случае с пшеницей, селективное разведение значительно увеличило урожайность риса, особенно в Азии. Разработка полукарликовых сортов риса, таких как IR8, стала крупным прорывом в борьбе с продовольственной незащищенностью.
• Кукуруза: Селективное разведение превратило кукурузу из относительно непродуктивной культуры в одну из важнейших культур в мире. Современные сорта кукурузы гораздо более продуктивны, устойчивы к болезням и толерантны к стрессовым условиям, чем их предки. Гибридная кукуруза, которая получается путем скрещивания двух различных инбредных линий, демонстрирует высокие уровни гибридной силы.
• Томаты: Селективное разведение привело к появлению широкого спектра сортов томатов с разнообразными формами, размерами, цветами и вкусами. Селекционеры также вывели сорта томатов, устойчивые к распространенным болезням и вредителям.
• Животноводство: Селективное разведение использовалось для улучшения продуктивности и качества скота на протяжении веков. Например, селекционеры отбирали коров, дающих больше молока, кур, несущих больше яиц, и свиней, растущих быстрее и с меньшим содержанием жира.

Это всего лишь несколько примеров многочисленных историй успеха селективного разведения. Селективное разведение сыграло решающую роль в улучшении продовольственной безопасности, питания и средств к существованию по всему миру.

Преимущества и недостатки селективного разведения

Селективное разведение предлагает несколько преимуществ:

• Относительно простое и недорогое: Селективное разведение — это относительно простой и недорогой метод, который могут использовать селекционеры с ограниченными ресурсами.
• Работает в рамках естественной изменчивости: Селективное разведение работает в рамках естественной генетической изменчивости, уже существующей в пределах вида. Это позволяет избежать необходимости введения чужеродных генов из других видов.
• Может улучшать несколько признаков одновременно: Селективное разведение может использоваться для улучшения нескольких признаков одновременно.
• Приводит к стабильным сортам: Селективное разведение может привести к разработке стабильных сортов, которые сохраняют свои желаемые признаки на протяжении многих поколений.

Однако селективное разведение также имеет некоторые недостатки:

• Медленный процесс: Селективное разведение может быть медленным процессом, требующим многих поколений для достижения значительных улучшений.
• Ограничено доступной изменчивостью: Селективное разведение ограничено объемом генетической изменчивости, доступной в пределах вида. Если желаемый признак отсутствует в популяции, его нельзя ввести только посредством селективного разведения.
• Может привести к инбредной депрессии: Инбридинг, который часто используется для стабилизации сортов, может привести к инбредной депрессии, которая может снизить жизнеспособность и плодовитость.
• Может непреднамеренно отбирать нежелательные признаки: Селективное разведение может непреднамеренно отбирать нежелательные признаки, которые связаны с желаемыми признаками.

Современные методы, дополняющие селективное разведение

Хотя традиционное селективное разведение остается фундаментальным, современные технологии повышают его эффективность и точность:

Маркер-ассоциированная селекция (MAS)

MAS использует ДНК-маркеры, связанные с желаемыми генами, для идентификации растений, несущих эти гены на ранних стадиях развития. Это ускоряет процесс отбора, особенно для признаков, которые трудно или дорого измерять напрямую (например, устойчивость к болезням).

Геномика и биоинформатика

Достижения в геномике позволяют селекционерам анализировать весь геном растений, идентифицируя гены, контролирующие важные признаки. Биоинформатические инструменты используются для управления и анализа огромных объемов данных, генерируемых геномными исследованиями.

Высокопроизводительное фенотипирование

Высокопроизводительное фенотипирование использует автоматизированные системы и датчики для быстрого измерения признаков растений в больших масштабах. Это позволяет селекционерам более точно оценивать большее количество растений, повышая эффективность отбора.

Двойные гаплоиды

Технология двойных гаплоидов ускоряет процесс селекции, создавая полностью гомозиготные растения за один поколение. Это устраняет необходимость в нескольких поколениях самоопыления для достижения стабильности.

Редактирование генома

Технологии, такие как CRISPR-Cas9, позволяют селекционерам точно редактировать гены в растениях, вводя желаемые признаки или удаляя нежелательные. Хотя это само по себе не является селективным разведением, редактирование генома может дополнять селективное разведение, создавая новую изменчивость или исправляя дефекты.

Будущее селекции растений

Селекция растений сталкивается с многочисленными проблемами в XXI веке, в том числе:

• Изменение климата: Разработка сортов, адаптированных к меняющимся климатическим условиям, включая повышенную засуху, жару и наводнения.
• Новые болезни и вредители: Разработка сортов, устойчивых к новым и эволюционирующим болезням и вредителям.
• Растущий спрос на продовольствие: Увеличение урожайности для удовлетворения растущего спроса на продовольствие со стороны растущего мирового населения.
• Устойчивое сельское хозяйство: Разработка более устойчивых сортов, требующих меньше воды, удобрений и пестицидов.
• Продовольственная безопасность: Улучшение питательного состава культур для решения проблем недоедания и дефицита микроэлементов. Биофортификация, процесс повышения содержания питательных веществ в культурах путем селекции или генной инженерии, является важной стратегией улучшения продовольственной безопасности.

Для решения этих проблем селекция растений должна будет продолжать внедрять инновации и осваивать новые технологии. Это включает использование передовых методов, таких как геномика, редактирование генома и высокопроизводительное фенотипирование. Это также требует содействия сотрудничеству между селекционерами, исследователями и фермерами, чтобы новые сорта хорошо адаптировались к местным условиям и отвечали потребностям фермеров.

Этическая сторона вопроса

Селекция растений также поднимает ряд этических вопросов:

• Доступ к семенам: Обеспечение доступности высококачественных и недорогих семян для фермеров. Семенные компании часто патентуют новые сорта, что может ограничивать доступ и увеличивать стоимость семян.
• Генетическое разнообразие: Сохранение генетического разнообразия сельскохозяйственных культур. Широкое распространение нескольких высокоурожайных сортов может привести к потере генетического разнообразия, делая культуры более уязвимыми к болезням и вредителям.
• Влияние на мелких фермеров: Обеспечение того, чтобы новые сорта приносили пользу мелким фермерам в развивающихся странах. Некоторые новые сорта могут требовать дорогостоящих ресурсов или методов управления, которые недоступны мелким фермерам.
• Прозрачность и вовлечение общественности: Вовлечение общественности в дискуссии о селекции растений и обеспечение прозрачности и подотчетности процесса.

Решение этих этических вопросов имеет важное значение для обеспечения того, чтобы селекция растений способствовала созданию более устойчивой и справедливой продовольственной системы.

Заключение

Селективное разведение — это мощный инструмент для улучшения растений, который сыграл жизненно важную роль в увеличении производства продовольствия и улучшении благосостояния человека. Понимая принципы и методы селективного разведения, селекционеры могут разрабатывать улучшенные сорта, которые более продуктивны, устойчивы к болезням и адаптированы к меняющимся условиям окружающей среды. Поскольку мы сталкиваемся с новыми вызовами, такими как изменение климата и растущее население мира, селекция растений будет оставаться необходимой для обеспечения продовольственной безопасности и устойчивого будущего. Интеграция современных технологий в сочетании с приверженностью этическим и устойчивым практикам будет иметь решающее значение для максимизации преимуществ селекции растений для всех.