Селекция растений

Основной задачей селекции растений является повышение урожайности в растениеводстве путем создания высокопродуктивных сортов. Основными методами селекции растений являются гибридизация и искусственный отбор.

В начале селекционной работы ставится конкретная задача, для выполнения которой подбирают соответствующие родительские формы. При невозможности найти нужный исходный материал применяют различные мутагенные факторы (химические вещества, излучения) для ускорения получения индуцированных мутаций, среди которых иногда удается найти и полезные, использующиеся в дальнейшей селекционной работе. При воздействии мутагенных факторов, разрушающих веретено деления (например, колхицина), часто удается получить растения с кратным увеличением набора хромосом — полиплоидные формы. Полиплоиды растений обладают большей урожайностью и стойкостью к неблагоприятным условиям среды по сравнению с диплоидными.

Гибридизация — это получение гибридов от скрещивания генетически разнородных организмов. В селекции применяют близкородственное скрещивание (инбридинг) и скрещивание неродственных организмов (аутбридинг). Близкородственная гибридизация у растений основана на искусственном опылении своей пыльцой обычно перекрестноопыляемых растений. Самоопыление ведет к повышению гомозиготности и закреплению наследственных свойств. Потомство, полученное от одного гомозиготного растения путем самоопыления, называется чистой линией. У особей чистых линий часто снижается жизнеспособность и падает урожайность. Но если скрестить разные чистые линии между собой (межлинейная гибридизация), то наблюдается явление гетерозиса — повышенная жизнеспособность и плодовитость в первом поколении гибридов, которая постепенно снижается. Гетерозис объясняется переходом большинства генов в гетерозиготное состояние. Межлинейная гибридизация позволяет повысить урожайность семян кукурузы на 20 — 30%. Явление гетерозиса у растений можно закрепить при вегетативном размножении (клубнями, черенками, луковицами и т. д.).

Отдаленная гибридизация позволяет сочетать в одном организме ценные признаки разных видов и даже родов. Такая гибридизация осуществляется с трудом, и межвидовые гибриды обычно бесплодны, так как затруднена конъюгация хромосом разных видов при мейозе. Преодолеть бесплодность межвидовых гибридов впервые удалось Г. Д. Карпеченко в 1924 г. Он получил гибрид редьки и капусты с диплоидным набором хромосом 18 (9 «редечных» и 9 «капустных»), который был совершенно бесплоден. Для преодоления бесплодия ученый удвоил число хромосом каждого вида (получил полиплоидную форму гибрида), в результате чего в кариотипе оказалось 36 хромосом (по 18 «редечных» и «капустных»). Это создало возможность конъюгации гомологичных хромосом капусты с «капустными» и редьки с «редечными». Каждая гамета несла по одному набору хромосом капусты и редьки (9+9 = 18). В зиготе вновь оказывалось 36 хромосом. Полученный межвидовой гибрид стал плодовитым. Таким образом, полиплоидия является одним из способов восстановления плодовитости межвидовых гибридов у растений.

После получения гибридов производится искусственный отбор полученных форм. Отбор заключается в сохранении для размножения растений с желаемой комбинацией признаков. При массовом отборе выделяют группу особей с нужными признаками и получают потомство. При повторных посевах отбор приходится повторять, так как особи могут давать расщепление в потомстве. Индивидуальный отбор проводят для выделения форм с необходимыми признаками и выращивают потомков одной особи. При таком отборе результат достигается быстрее, но потомков получается значительно меньше. Индивидуальный отбор чаще проводят среди самоопыляющихся растений и получают чистые линии. Представители одной чистой линии имеют одинаковый генотип и дают ценный исходный материал для селекции.

Искусственный отбор на основе наследственной изменчивости служит основным способом получения новых сортов растений. Однако не следует забывать, что на сорт влияет и естественный отбор. Естественный отбор действует одновременно с искусственным и повышает приспособленность растений к условиям среды. Вновь созданный сорт всегда является результатом деятельности человека и окружающей среды.

Большой вклад в селекцию растений внес И. В. Мичурин (1855 — 1935). В основе его работ лежит сочетание трех основных методов: гибридизации, отбора и воздействия условиями среды на развивающиеся гибриды (их «воспитание» в желательном направлении). Большое значение И. В. Мичурин придавал подбору исходных родительских форм для гибридизации. Он скрещивал местные морозостойкие сорта с южными. Получаемые сеянцы подвергал строгому отбору и содержал в относительно суровых условиях. Этим методом получена яблоня Славянка, гибрид Антоновки и южного Ранета ананасного.

Особое значение Мичурин придавал скрещиванию географически удаленных форм, не растущих в той местности, где осуществляется гибридизация. Таким методом выведен сорт Бельфлер-китайка, полученный в результате гибридизации китайской яблони из Сибири и американского сорта Бельфлер желтый.

Среди методов «воспитания» гибридов И. В. Мичуриным разработан метод ментора. Сущность его заключается в том, что признаки развивающегося гибрида изменяются под влиянием привоя или подвоя. Этот метод применялся при выведении сорта Бельфлер-китайка, так как первые гибридные плоды были мелкие и кислые. Под влиянием черенков Бельфлера плоды гибрида в последующем стали приобретать качества Бельфлера. Влияние ментора следует рассматривать как изменение доминирования в процессе развития гибрида.

Широко использовал И. В. Мичурин и отдаленную гибридизацию: получил гибриды малины и ежевики, рябины и сибирского боярышника и др. Следует отметить, что большинство сортов, полученных И. В. Мичуриным, представляет собой сложные гетерозиготы, поэтому для их сохранения применяют вегетативное размножение — отводками, прививками и т. п.

Селекционная работа имеет огромное народнохозяйственное значение. Замена малоурожайных сортов высокопродуктивными представляет собой один из основных путей повышения урожайности. Генетика и селекция далеко еще не исчерпали всех возможностей повышения урожайности культурных растений.


Генная инженерия

В особых структурах ядра клетки (хромосомах) есть образования, содержащие код наследственных признаков данного живого организма, — гены. В 1969 г. ученым удалось осуществить выделение их из живой клетки. После этого началось развитие направления науки, которое назвали генной инженерией. Ученые разрабатывают теорию и практику пересадки генов из одних организмов в другие. Вводя желаемые гены в нужные организмы, исключая ненужные или даже вредные гены, ученым удалось создавать растения с новыми, не встречающимися в природе наследственными признаками.

В 1983 г. многолетними усилиями ученых США, Германии и Бельгии удалось получить первые трансгенные растения. Спустя 10 лет в Китайской Народной Республике начали выращивать табак, устойчивый к вредителям. В 1994 г. в США зарегистрирован первый трансгенный томат сорта Флавр-Савр с замедленным созреванием, безупречный в транспортировке и способный длительно храниться. Уже в 1999 г. были получены трансгенные растения более 120 видов, которые выращивались на 40 млн га 11 стран, а еще через 3 года в 17 странах мира их возделывали на 55 млн га.

Принципиальное отличие этого метода селекции от обычной — уникальная возможность вводить в растения не только любые полезные гены других растений, но и гены животных, вирусов, микроорганизмов и даже искусственно созданные гены. Если при обычной технологии на создание нового сорта уходит 10-20 лет, то при использовании генной инженерии в несколько раз меньше. У селекционеров появились, по сути дела, безграничные возможности. За два последних десятилетия методом трансгенной инженерии созданы сотни сортов, в том числе с уникальными, отсутствующими в природе характеристиками. Сейчас в мире выращивается более 40 млн т продукции трансгенных культур, 70% этой продукции производится в США, в Европе пока около 1 %.

С помощью этого метода созданы и широко возделываются в США, Аргентине, Канаде, Китае и других странах кукуруза, хлопчатник и картофель, которые имеют, в частности, ген, позволяющий им вырабатывать энтомотоксин — вещество, обеспечивающее их устойчивость к вредителям. Благодаря этому повысилась урожайность названных культур, снизились затраты труда, себестоимость урожая. Возделывание таких растений позволило либо резко сократить, либо полностью отказаться от применения ядохимикатов при их выращивании. В результате меньше загрязняются воды, атмосфера, почвы. Продукты стали более экологичными. Учеными Китая созданы трансгенные томаты, рис, соя, быстрорастущий тополь, способные расти на практически неплодородных сейчас засоленных почвах.

Генная инженерия позволяет создавать более полноценные и сбалансированные по питательным элементам пищевые продукты и корма. Например, американские ученые создали трансгенный томат, в котором уровень красного пигмента (ликопина) в 3,5 раза выше, чем у обычных сортов. Благодаря окислительным свойствам ликопина снижается вероятность раковых заболеваний. Люди, потребляющие ежедневно томаты или другие ликопиносодержащие продукты, реже болеют раком предстательной железы, желудка и 12-перстной кишки, а также реже страдают болезнями сердца. Специальные сорта трансгенных растений позволяют не только производить разнообразные лекарства, но и получать целевые растения-вакцины, позволяющие предотвратить многие инфекционные болезни.

Насколько безопасны для нас трансгенные растения? Все получаемые из них продукты проходят обязательную проверку на безопасность. Теперь и Европейский Союз отменил мораторий на трансгенные растения. В США, КНР и других странах уже много лет потребляют эти продукты, и отрицательных последствий не обнаружено, в том числе и в растениях, которым вводился ген из микроорганизмов.