Основи селекції рослин: Створення нових сортів шляхом селективного розведення

Селекція рослин – це мистецтво і наука зміни ознак рослин з метою отримання бажаних характеристик. Нею займаються тисячі років, починаючи з перших фермерів, які відбирали найкраще насіння з кожного врожаю для посіву в наступному поколінні. Сьогодні селекція рослин поєднує традиційні методи з сучасними технологіями для створення поліпшених сортів, які є більш продуктивними, стійкими до хвороб і адаптованими до різних умов навколишнього середовища. У цій статті представлено вичерпний огляд селекції рослин, з акцентом на селективному розведенні, одному з найдавніших і найпоширеніших методів.

Що таке селективне розведення?

Селективне розведення, також відоме як штучний відбір, – це процес відбору рослин з бажаними ознаками та використання їх як батьків для отримання наступного покоління. Цей процес повторюється протягом багатьох поколінь, поступово покращуючи бажані ознаки в популяції. На відміну від генної інженерії, селективне розведення працює в межах природної генетичної варіації, яка вже є у виду рослин. Воно не вводить чужорідні гени з інших видів. Це метод спрямування еволюційного процесу в напрямку, який приносить користь людям.

Принципи селективного розведення

Селективне розведення базується на кількох ключових принципах:

• Варіація: Особини в популяції повинні демонструвати варіацію цікавих ознак. Без варіації немає чого відбирати. Ця варіація виникає внаслідок генетичних відмінностей між особинами.
• Успадкованість: Бажані ознаки повинні бути успадкованими, тобто їх можна передавати від батьків до нащадків. Ознаки, на які сильно впливає навколишнє середовище, може бути важко покращити за допомогою селективного розведення.
• Відбір: Селекціонери повинні мати можливість ідентифікувати та відбирати особин з найкращим вираженням бажаних ознак. Це вимагає ретельного спостереження, вимірювання та оцінки.
• Розмноження: Відібрані особини повинні мати можливість розмножуватися або шляхом самозапилення, перехресного запилення або вегетативного розмноження.

Етапи селективного розведення

Процес селективного розведення зазвичай включає наступні етапи:

1. Визначення цілей розведення

Перший крок – чітко визначити цілі розведення. Які бажані ознаки ви хочете покращити? Приклади включають:

• Збільшення врожайності (наприклад, більше зерна на рослину, більші плоди)
• Поліпшення стійкості до хвороб (наприклад, стійкість до грибкових, бактеріальних або вірусних захворювань)
• Підвищення харчової цінності (наприклад, більш високий рівень вітамінів, мінералів або білка)
• Краща адаптація до конкретних умов навколишнього середовища (наприклад, толерантність до посухи, морозостійкість)
• Поліпшення якісних ознак (наприклад, кращий смак, текстура або зовнішній вигляд)

Цілі розведення повинні бути конкретними, вимірюваними, досяжними, релевантними та обмеженими в часі (SMART). Наприклад, метою розведення може бути розробка сорту пшениці з на 20% вищою врожайністю зерна в районах, схильних до посухи, протягом п’яти років.

2. Відбір батьківських рослин

Після визначення цілей розведення наступним кроком є ​​відбір батьківських рослин, які мають бажані ознаки. Це передбачає оцінку великої кількості рослин і вибір особин, які найкраще відповідають цілям розведення. Селекціонери часто враховують кілька ознак одночасно, оскільки поліпшення однієї ознаки іноді може негативно вплинути на іншу. Джерела батьківських рослин можуть включати:

• Ландраси: Місцево адаптовані сорти, які були розроблені фермерами протягом поколінь. Ландраси часто мають широкий спектр генетичного різноманіття і можуть бути цінними джерелами генів стійкості до хвороб, стійкості до стресу та унікальних якісних ознак.
• Сорти реліквій: Сорти відкритого запилення, які передаються через сім’ї чи спільноти протягом багатьох років. Як і ландраси, сорти реліквій можуть бути джерелом унікальних ознак і генетичного різноманіття.
• Лінії розведення: Рослини, які були попередньо відібрані та вдосконалені за допомогою програм розведення. Лінії розведення часто мають комбінацію бажаних ознак і можуть бути використані як батьки для створення ще кращих сортів.
• Дикі родичі: Дикі види, які тісно пов’язані з культурними культурами. Дикі родичі можуть бути цінним джерелом генів стійкості до хвороб, стійкості до стресу та інших ознак, які можуть бути відсутні в культурних сортах. Однак схрещування культурних культур з дикими родичами може бути складним і вимагати спеціальних методів.
• Генні банки: Колекції насіння або іншого рослинного матеріалу, які зберігаються для збереження та розведення. Генні банки є важливим ресурсом для селекціонерів, які прагнуть отримати доступ до широкого спектру генетичного різноманіття. Приклади включають Всесвітнє сховище насіння на Шпіцбергені в Норвегії та національні генні банки по всьому світу.

Процес відбору може базуватися на візуальному спостереженні, вимірюванні ознак (наприклад, висота рослини, розмір плоду, врожайність) або лабораторному аналізі (наприклад, тестування на стійкість до хвороб або харчову цінність). У деяких випадках селекціонери використовують маркерну селекцію (MAS), метод, який використовує ДНК-маркери для ідентифікації рослин, які несуть певні гени для бажаних ознак. MAS може прискорити процес розведення та зробити його більш ефективним.

3. Здійснення схрещувань

Після відбору батьківських рослин наступним кроком є здійснення схрещувань між ними. Це передбачає перенесення пилку від батьківської чоловічої рослини до батьківської жіночої рослини. Конкретний метод, який використовується для схрещування, залежить від виду рослини та її репродуктивної біології. Деякі рослини самозапилюються, тобто вони можуть запліднювати себе. Інші є перехреснозапильними, тобто для запліднення їм потрібен пилок з іншої рослини.

У перехреснозапильних рослинах селекціонери часто використовують ручне запилення, щоб контролювати схрещування та забезпечувати використання бажаних батьків. Це передбачає обережне видалення пиляків (органів, що виробляють пилок) з жіночої батьківської рослини, щоб запобігти самозапиленню, а потім перенесення пилку з чоловічої батьківської рослини на приймочку (чутливу поверхню жіночої квітки). Потім квітки накривають, щоб запобігти небажаному запиленню іншими рослинами або комахами.

Насіння, отримане від схрещувань, називається F1 (перше дочірнє покоління). Рослини F1 є гібридами, тобто вони мають комбінацію генів від обох батьків. Покоління F1 часто є однорідним і може демонструвати гібридну силу (гетерозис), тобто вони є більш енергійними та продуктивними, ніж будь-який з їхніх батьків.

4. Оцінка та відбір потомства

Наступним кроком є вирощування рослин F1 та оцінка їх продуктивності. Це передбачає висаджування насіння в поле або теплицю та спостереження за їх ростом, розвитком і врожайністю. Селекціонери ретельно вимірюють і записують дані про цікаві ознаки, такі як висота рослини, час цвітіння, стійкість до хвороб і врожайність. У деяких випадках вони також можуть проводити лабораторні тести для оцінки харчової цінності або якості врожаю.

На основі зібраних даних селекціонери відбирають рослини з найкращими показниками для використання як батьків для наступного покоління. Цей процес повторюється протягом кількох поколінь, поступово покращуючи бажані ознаки в популяції. У кожному поколінні селекціонери відбирають рослини, які найкраще відповідають цілям розведення, і відкидають решту.

Процес відбору може бути складним, оскільки покоління F1 часто розщеплюється за різними ознаками. Це означає, що потомство рослин F1 демонструватиме широкий діапазон варіацій, що ускладнює ідентифікацію найкращих особин. Селекціонери часто вирощують великі популяції рослин, щоб збільшити шанси знайти бажану комбінацію ознак.

5. Стабілізація сорту

Після кількох поколінь відбору отримані рослини стануть більш однорідними та стабільними для бажаних ознак. Це означає, що потомство більше нагадуватиме своїх батьків. Щоб стабілізувати сорт, селекціонери часто використовують інбридинг, який передбачає схрещування рослин із собою або з тісно пов’язаними особинами. Інбридинг збільшує гомозиготність рослин, тобто вони мають більше ідентичних копій кожного гена. Це зменшує генетичну варіацію в популяції та робить сорт більш передбачуваним.

Інбридинг також може мати негативні наслідки, такі як зниження енергії та фертильності. Це відомо як інбридингова депресія. Щоб уникнути інбридингової депресії, селекціонери часто використовують інші методи, такі як єдине походження насіння (SSD), яке передбачає відбір одного насіння з кожної рослини в кожному поколінні. SSD дозволяє селекціонерам підтримувати велику кількість генетичного різноманіття, поступово покращуючи бажані ознаки.

6. Тестування та випуск

Після стабілізації сорту його необхідно протестувати, щоб переконатися, що він добре працює в різних середовищах і за різних методів управління. Це передбачає проведення польових випробувань у кількох місцях і порівняння продуктивності нового сорту з існуючими сортами. Випробування розроблені для оцінки врожайності, стійкості до хвороб, якості та адаптивності нового сорту.

Якщо новий сорт добре зарекомендував себе у випробуваннях, його можна випустити для фермерів. Процес випуску зазвичай передбачає отримання офіційної реєстрації або сертифікації від державного агентства. Це гарантує, що сорт відповідає певним стандартам якості та продуктивності. Селекціонерам також потрібно розробити стратегію виробництва та розповсюдження насіння, щоб забезпечити фермерам доступ до нового сорту.

Приклади історій успіху селективного розведення

Селективне розведення зіграло важливу роль у поліпшенні сільськогосподарських культур і худоби в усьому світі. Ось кілька прикладів:

• Пшениця: Селективне розведення значно збільшило врожайність пшениці за останнє століття. Сучасні сорти пшениці є більш продуктивними, стійкими до хвороб і адаптовані до ширшого спектру середовищ, ніж їхні попередники. Зелена революція, очолювана Норманом Борлаугом, значною мірою спиралася на селективне розведення високоврожайних сортів пшениці для боротьби з голодом у країнах, що розвиваються.
• Рис: Подібно до пшениці, селективне розведення значно збільшило врожайність рису, особливо в Азії. Розробка напівкарликових сортів рису, таких як IR8, стала великим проривом у боротьбі з відсутністю продовольчої безпеки.
• Кукурудза: Селективне розведення перетворило кукурудзу з відносно непродуктивної культури на одну з найважливіших культур у світі. Сучасні сорти кукурудзи є набагато більш продуктивними, стійкими до хвороб і стійкими до стресу, ніж їхні предки. Гібридна кукурудза, яка виробляється шляхом схрещування двох різних інбредних ліній, демонструє високий рівень гібридної сили.
• Помідори: Селективне розведення призвело до широкого спектру сортів помідорів з різноманітними формами, розмірами, кольорами та смаками. Селекціонери також розробили сорти помідорів, які є стійкими до поширених хвороб і шкідників.
• Худоба: Селективне розведення використовувалося для поліпшення продуктивності та якості худоби протягом століть. Наприклад, селекціонери відбирали корів, які дають більше молока, курей, які несуть більше яєць, і свиней, які ростуть швидше та більш пісними.

Це лише кілька прикладів багатьох історій успіху селективного розведення. Селективне розведення відіграло вирішальну роль у підвищенні продовольчої безпеки, харчування та засобів до існування в усьому світі.

Переваги та недоліки селективного розведення

Селективне розведення має кілька переваг:

• Відносно простий і недорогий: Селективне розведення – це відносно простий і недорогий метод, який можуть використовувати селекціонери з обмеженими ресурсами.
• Працює в межах природної варіації: Селективне розведення працює в межах природної генетичної варіації, яка вже є у виду. Це дозволяє уникнути необхідності введення чужорідних генів з інших видів.
• Може покращити кілька ознак одночасно: Селективне розведення можна використовувати для покращення кількох ознак одночасно.
• Призводить до стабільних сортів: Селективне розведення може призвести до розробки стабільних сортів, які зберігають свої бажані ознаки протягом багатьох поколінь.

Однак селективне розведення також має деякі недоліки:

• Повільний процес: Селективне розведення може бути повільним процесом, що вимагає багатьох поколінь для досягнення значних поліпшень.
• Обмежений доступною варіацією: Селективне розведення обмежене кількістю генетичної варіації, доступної у виду. Якщо бажана ознака відсутня в популяції, її неможливо ввести лише за допомогою селективного розведення.
• Може призвести до інбридингової депресії: Інбридинг, який часто використовується для стабілізації сортів, може призвести до інбридингової депресії, яка може знизити енергію та фертильність.
• Може ненавмисно відбирати небажані ознаки: Селективне розведення може ненавмисно відбирати небажані ознаки, пов’язані з бажаними ознаками.

Сучасні методи, що доповнюють селективне розведення

У той час як традиційне селективне розведення залишається фундаментальним, сучасні технології підвищують його ефективність і точність:

Маркерна селекція (MAS)

MAS використовує ДНК-маркери, пов’язані з бажаними генами, для ідентифікації рослин, які мають ці гени на ранніх стадіях розвитку. Це прискорює процес відбору, особливо для ознак, які важко або дорого виміряти безпосередньо (наприклад, стійкість до хвороб).

Геноміка та біоінформатика

Досягнення в геноміці дозволяють селекціонерам аналізувати весь геном рослин, ідентифікуючи гени, які контролюють важливі ознаки. Інструменти біоінформатики використовуються для управління та аналізу величезних обсягів даних, отриманих в результаті геномних досліджень.

Високопродуктивний фенотипування

Високопродуктивний фенотипування використовує автоматизовані системи та датчики для швидкого вимірювання ознак рослин у великому масштабі. Це дозволяє селекціонерам оцінювати більше рослин більш точно, покращуючи ефективність відбору.

Гаплоїди, подвоєні

Технологія гаплоїдів, подвоєних, прискорює процес розведення, створюючи повністю гомозиготні рослини за одне покоління. Це усуває необхідність у кількох поколіннях самозапилення для досягнення стабільності.

Редагування геному

Такі методи, як CRISPR-Cas9, дозволяють селекціонерам точно редагувати гени в рослинах, вводячи бажані ознаки або видаляючи небажані. Хоча редагування геному саме по собі не є селективним розведенням, воно може доповнювати селективне розведення, створюючи нову варіацію або виправляючи дефекти.

Майбутнє селекції рослин

Селекція рослин стикається з численними викликами у 21 столітті, зокрема:

• Зміна клімату: Розробка сортів, адаптованих до змін клімату, включаючи збільшення посухи, спеки та повеней.
• Нові хвороби та шкідники: Розробка сортів, стійких до нових і еволюціонуючих хвороб і шкідників.
• Збільшення попиту на продовольство: Збільшення врожайності сільськогосподарських культур для задоволення зростаючого попиту на продовольство з боку зростаючого глобального населення.
• Стале сільське господарство: Розробка більш сталих сортів, які потребують менше води, добрив і пестицидів.
• Харчова безпека: Поліпшення харчової цінності сільськогосподарських культур для вирішення проблем недоїдання та дефіциту мікроелементів. Біофортифікація, процес збільшення вмісту поживних речовин у сільськогосподарських культурах шляхом розведення або генної інженерії, є важливою стратегією для поліпшення харчової безпеки.

Щоб вирішити ці виклики, селекція рослин повинна продовжувати впроваджувати інновації та впроваджувати нові технології. Це включає використання передових методів, таких як геноміка, редагування генів і високопродуктивний фенотипування. Це також вимагає сприяння співпраці між селекціонерами, дослідниками та фермерами, щоб забезпечити хорошу адаптацію нових сортів до місцевих умов і задоволення потреб фермерів.

Етичні міркування

Селекція рослин також викликає кілька етичних міркувань:

• Доступ до насіння: Забезпечення фермерам доступу до доступного та високоякісного насіння. Насіннєві компанії часто патентують нові сорти, що може обмежити доступ і збільшити вартість насіння.
• Генетичне різноманіття: Збереження генетичного різноманіття в сільськогосподарських культурах. Широке впровадження кількох високоврожайних сортів може призвести до втрати генетичного різноманіття, що зробить сільськогосподарські культури більш вразливими до хвороб і шкідників.
• Вплив на дрібних фермерів: Забезпечення того, щоб нові сорти приносили користь дрібним фермерам у країнах, що розвиваються. Деякі нові сорти можуть вимагати дорогих вхідних ресурсів або методів управління, які недоступні для дрібних фермерів.
• Прозорість і залучення громадськості: Залучення громадськості до обговорень щодо селекції рослин і забезпечення прозорості та підзвітності процесу.

Вирішення цих етичних міркувань має важливе значення для забезпечення того, щоб селекція рослин сприяла більш сталій та справедливій продовольчій системі.

Висновок

Селективне розведення є потужним інструментом для поліпшення рослин і відіграло життєво важливу роль у збільшенні виробництва продовольства та поліпшенні добробуту людини. Розуміючи принципи та методи селективного розведення, селекціонери можуть розробляти поліпшені сорти, які є більш продуктивними, стійкими до хвороб і адаптованими до змінних умов навколишнього середовища. Оскільки ми стикаємося з новими викликами, такими як зміна клімату та зростаюче глобальне населення, селекція рослин продовжуватиме відігравати важливу роль у забезпеченні продовольчої безпеки та сталого майбутнього. Інтеграція сучасних технологій у поєднанні з прихильністю етичним і сталим методам матиме вирішальне значення для максимізації переваг селекції рослин для всіх.