Стратегии и методы селекции растений

Введение

Вклад д-ра Парциса состоял из 4 модулей или докладов. Первый модуль (Введение) развивает тему о значении семян и селекции растений. В нем были перечислены некоторые важные национальные и международные селекционные учреждения. Данные отражают улучшения, достигнутый «Зеленой Революцией», в которой селекция растений сыграла существенную роль. Были определены и объяснены некоторые технические термины, используемые при селекции растений, как, например, гетерозис генов, выигрыш отбора и др. В виде упражнения участники курса провели вычисление гетерозиса F1-гибридов. Участникам был порекомендован список литературы для дальнейшего чтения.
Методы и техника селекции

Второй модуль (Методы и техника) был посвящен различным системам репродукции и разведения культурных растений. В зависимости от природной системы репродукции и процесса разведения, сорта классифицируются как «сорта-линии», «гибридные сорта», «открыто-опыляющиеся сорта», «клональные сорта» или же «апомиктические гибриды». Были описаны основные приемы селекции растений, такие как «клональная селекция», «селекция линий», «гибридная селекция» или «популяционная селекция». Также были описаны специфические методы селекции, такие как, например, «генеалогический метод» или «bulk method» (метод, при котором в первых поколениях все потомства высеиваются вместе) в селекции линий, или же «массовой отбор» и отбор «синтетических сортов» в популяционной селекции. Другими методами или подходами, используемыми в селекции, являются «обратное скрещивание качественных признаков», «пирамидизация генов» (накопление генов устойчивости в виде пирамиды), а также производство и использование «двойных гаплоидных линий» как родителей для создания новых сортов.

Если гены, определяющие полезные признаки, известны, то селекция может опираться на использование показателей ДНК. «Перенос генов» для создания генетически измененных организмов, обладающих желаемыми свойствами, был разяснен на примере «золотого риса». Для того чтобы побороть недостаток витамина А, который наносит ущерб 800 миллионам людей во всем мире, исследователи перенесли способность производить бета-каротин (предварительная стадия витамина А) от декоративного растения (Narcissus) и бактерии (Erwinia) на рис. До сих пор содержание бета-каротина в трансгенных сортах риса еще низко: примерно 9 кг. такого риса нужно было бы съесть для того чтобы покрыть рекомендуемую норму ежедневного потребления. Но ставится вопрос, не было ли бы более дешевыми и эффективными производство и доставка овощей (моркови, сладкого картофеля) или пальмового масла, чем поставка бета-каротина через рис.

Стратегии селекции

Третий модуль (Стратегии) охватывал разные аспекты стратегий для достижения прогресса в селекции растений. Участникам была представлена концепция «селекции растений при участии (местных фермеров)». Основными предпосылками селекции растений является существование (1) цели селекции, (2) признаков связанных с целью селекции, которые могут быть измерены, и (3) генетического разнообразия по отношению к желаемому признаку. Генетическое разнообразие обеспечивается главным образом выбором родительских форм с разнообразием относительно желанного признака, а также скрещиванием (генетической рекомбинацией). Число растений нового генотипа, доступных для наблюдений и опытов, определяет возможность отбора растений по количественным или качественным признакам. Поскольку на ранних стадиях сортоиспытания имеется только небольшое число растений, обычно тестируются качественные и реже количественные признаки.

Собранный урожай (Harvested Yield, HY) можно увеличить путем повышения индекса урожайности (Harvest Index, HI). Однако, в некоторых странах и регионах не следует ограничивать сферу применения  HI или HY зерновых только урожайностью семян, так как другие продукты, например, солома, также могут составлять значительную часть урожая. Наряду с собранным урожаем, можно вычислить так называемый «экономический урожай», который принимает в учет продажную цену товара (часто определяемую качеством продуктов) и расходы на производство.

Значение устойчивости к болезням, вредителям и сорнякам было проиллюстрировано на примере  некоторых сельскохозяйственных культур, а также на примере овощных и фруктовых культур. Основными типами устойчивости являются полигенная, качественная и количественная устойчивость, устойчивость специфическая или неспецифическая к отдельным родам возбудителей, вертикальная и горизонтальная устойчивость. Отбор растений по устойчивости можно провести на поле, в теплицах или in vitro. Искусственное заражение часто полезно тогда, когда болезнь может вызывать экономически значимые повреждения, но проявляется при естественных условиях неустойчиво. Недостатком искусственного заражения является то, что результаты часто не соответствуют устойчивости в полевых условиях. Существуют разные стратегии использования устойчивости в производстве сельскохозяйственных культур: использование сортов, состоящих из многих линий, и возделывание смесей из устойчивых и чувствительных сортов являются многообещающими стратегиями для будущего.

В некоторых случаях улучшение качества урожая более важно чем урожайность. Примерами качественных признаков разных культур послужили мукомольное и хлебопекарное качество мягкой пшеницы и качество переработки картофеля. В практической селекции растений наиболее важно, что цели селекции отражают потребности фермеров, торговцев, обрабатывающей промышленности и потребителей. Опыт показывает, что если нет тесного общения и экономических связей (силы рынка) между фермерами, обрабатывающей промышленностью, торговцами, потребителями и селекционерами, то селекция не может быть эффективной.

Существует много различных факторов, влияющих на урожайность, устойчивость и качество продукции. Проверять новые сорта по всем важным признакам до официальной регистрации и до маркетинга невозможно и экономически неосуществимо. Поэтому тестирование зарегистрированных сортов в агрономических опытах для рекомендации (районирования) является важной задачей. К сожалению, во многих странах переоценивается значение центральных официальных регистрационных проб, а значение местных рекомендательных проб (районирования) недооценивается.

Селекция растений при участии фермеров (Participatory Plant Breeding, PPB) является подходом, направленным на преодоление некоторых проблем создания и маркетинга улучшенных сортов в странах без частного сектора селекции растений и без тесных экономических связей между участниками в системе семенного оборота. PPB имеет разные социальные, экономические и технические аспекты. Испытание сортов на полях фермеров, при преобладающих агрономических условиях и прямое вовлечение фермеров и потребителей в селекционный процесс являются главными преимуществами этого подхода.
Питательная эффективность и устойчивость к стрессам

Модуль 4 (Питательная эффективность) был посвящен двум аспектам стратегий селекции растений: питательной эффективности и устойчивости к стрессам. Участникам был предоставлен обзор биотических (вредители, болезни, конкуренция между растениями) и абиотических стрессов (засуха, затопление, высокие или низкие температуры, кислотность почвы, соленость, недостаток питательных веществ и т.д.). На карте мира было показано географическое распространение главных стрессовых факторов. Устойчивость к стрессовым факторам нужно рассматривать как аспект всемирного земледелия с возрастающим значением.

Стресс, вызываемый засухой, имеет большое значение во многих регионах. Предполагается, что недостаток воды даже возрастет на глобальном уровне. На примере были проиллюстрированы цели селекции относительно выносливости к засухе. Как можно было ожидать, при условиях засухи на опытном поле выигрыш отбора на выносливость к засухе выше чем при орошении. Если вегетационный период краток из-за недостатка осадков и уменьшения воды в почве, то урожайность семян и качество скороспелого сорта могут значительно превосходить урожайность и качество «высокоурожайного», но более позднеспелого сорта.

Эффективность использования питательных веществ была определена как «способность генотипа приносить урожай поверх среднего при содержании питательных веществ в почве ниже оптимального». Модели и данные показывают, что различные сорта могут проявлять специфическое взаимодействие между генотипом и окружающей средой при низком или высоком уровне вноса удобрений, из чего следует, что сорта, приспособленные к условиям низких вносов, могут давать более высокий урожай при крайних полевых условиях чем сорта, приспособленные к условиям высоких вносов.

Сохранение и продолжающееся использование местных генетических ресурсов растений будет существенно для дальнейшего усовершенствования селекции растений и для производительности сельского хозяйства. Как было показано на примере африканского проса в Индии, приспособленные местные формы могут иметь значимо более высoкую производительность чем современные сорта, возделываемые при стрессовых условиях.

Из дискуссии и обзора

Селекция растений является двигателем цепи семян. Без постоянного улучшения сортов, сертификация семян и торговля семенам высокого качества многих основных пищевых культур теряют значение, а производство и доставка семян переходят в сферу неформального сектора.

В прошлом преобладающая философия в селекции растений состояла в том, что сорта с хорошим потенциалом урожайности якобы давали хорошие результаты при условиях как высоких, так и низких вносов. Однако, почти все данные, поддерживающие это мнение, поступали из развитых промышленных стран, где опыты обычно проводятся в умеренном климате при условиях средних или высоких вносов. Как было показано в докладах, при условиях сильной засухи или других стрессов специфически приспособленные сорта показывают более высокую производительность чем неадаптированные сорта высокой урожайности. В местностях с высокой вероятностью появления суровых стрессовых условий, стабильность урожая или способность производить под стрессом может иметь гораздо более высокое значение чем высокая урожайность при благоприятных условиях. В то время как стабильное производство мягкой пшеницы в Афганистане при условиях достаточных природных осадков или при орошении имеет существенное значение для обеспечения пищей многих домашних хозяйств, высокие урожаи пшеницы, произведенные при хороших условиях в 2003 году, привели к радикальному снижению цен зерна. Фермеры сообщали что, как следствие этого и из-за недостатка дешевой рабочей силы, они даже не собрали урожай пшеницы со своих полей.

Многие селекционеры склонны не подвергать свой селекционный материал суровым условиям в опытах, чтобы избежать его потери или чтобы показывать «аккуратные опытные делянки» посетителям. Таким образом, однако, они могут избежать давления селекции, необходимого для отбора улучшенных сортов для преобладающих условий земледелия. Чем больше различия между агрономическими, климатическими и почвенными условиями, тем больше рекомендуется провести отбор прямо в специфических средах при специфических условиях фермеров. Во многих странах, условия возделывания варьируют не только из-за естественных условий (климатических и почвенных), но также из-за того, что фермеры не владеют возможностью провести специфические мероприятия для защиты растений или применить специфические методы возделывания для контроля болезней или других стрессов.

Селекция растений, приспособленных к настоящим потребностям фермеров и потребителей, является ключом к успеху в селекции растений. Для повышения урожая на гектар и национального производства, государственные селекционеры и общественные сельскохозяйственные консультанты в прошлом почти исключительно следовали подходу, согласно которому фермеры должны были улучшать свою земледельческую практику и повышать вносы, чтобы отвечать требованиям «улучшенных / высокоурожайных сортов». Несмотря на усилия, направленные на продвижение использования улучшенных сортов и удобрений, веществ для защиты растений и техники (путем субсидий или кредитов), этот подход часто терпел неудачи. Наиболее нуждающиеся домашние хозяйства обычно не получали от этого пользы. Во многих случаях негативные побочные эффекты, вызванные изменением системы производства, не могли контролироваться средними или мелкими фермерами. Со времен «зеленой революции» многие сельские семьи лишились своих ферм в следствие вышеуказанных стратегий селекции растений и изменений земледельческих систем.

Чем больше различия между системами возделывания, климатами и почвами, тем лучше проводить отбор новых сортов прямо при условиях специфической среды. Во многих странах агрономические условия варьируют не только из-за различий в доставке воды, климата и почвы, но также потому что фермеры не владеют специфическими мероприятиями для защиты растений или методами возделывания, пригодными для контроля болезней или других стрессов. Специфическая адаптация сортов к специфическим средам особенно важна тогда, когда у фермеров мало возможностей воздействовать на среду посредством агрономической практики или вносов, и в случае чрезвычайно неблагоприятной или сильно переменной природной среды.

При экстремальных или сильно изменчивых условиях гетерогенные сорта, смеси сортов или популяции могут быть более производительными и иметь более высокую стабильность урожая чем сорта, состоящие из гомогенных линий. Различные типы сортов (например, сорта, состоящие из чистых линий, гибриды, клональные сорта и сорта-популяции) различаются по гетерогенности (своих популяций) и по степени гетерозиготности отдельных растений. В Кении гетерозиготные сорта сорго давали гораздо более высокий урожай (+ 50 %) при условиях низких вносов чем при условиях высоких вносов (+ 30 %) в сравнении с гомозиготными сортами.

Местные сорта, часто состоящие из популяций, обычно имеют более высокую степень гетерогенности чем сорта, состоящие из чистых линий. В опытах с ячменем в Сирии при условиях низких, средних и высоких вносов, местные сорта превосходили сорта, состоящие из чистых линий, в случае низких и средних вносов. В Раджастане (Индия) при условиях низких вносов и суровых стрессов, местный сорт просо давал урожай 85 гр. с квадратного метра, по сравнению с сортом, состоящим из чистой линии, который давал только 60 гр. При умеренном стрессе, однако, сорт из чистой линии оказался лучшим и давал 160 гр. с квадратного метра, в то время как местный сорт давал 85 гр.

Для кукурузы и некоторых других культур гибридная селекция коммерчески очень успешная. Данные исследований, однако, указывают на то, что посредством популяционной (массовой) селекции кукурузы можно было бы достичь такого же прогресса как путем гибридной селекции. Так как фермеры вынуждены регулярно покупать новые гибридные семена, семенные фирмы находятся в гораздо лучших условиях с гибридными сортами чем с большинством негибридных сортов. Крупные расходы фермеров на семена гибридных сортов показывают, что фермеры готовы тратить немалые деньги на семена хороших сортов. Несомненно, они бы также были готовы расходовать большие суммы на семена хороших сортов-линий, популяций или клональных сортов, если бы только такие были в наличии только у семеноводческих фирм. Однако, поскольку фермеры часто сами размножают семена негибридных сортов, им не нужно было бы покупать сертифицированные семена от фирм. Денежный доход фирм от сортов-линий или популяций обычно ниже чем от гибридных сортов. Как следствие, частная селекция негибридных культур обычно менее интенсивна, или иногда даже не существует совсем.