Как выводят новые сорта пшеницы
Здравое зерно: ученые выведут сорт пшеницы «под заказ» почти втрое быстрее
Ученые Курчатовского геномного центра нашли способ сократить срок выведения сорта пшеницы с заданными характеристиками с 15 до шести лет. Например, специалисты уже справились с задачами усилить иммунитет растений к болезням, увеличить содержание клейковины в зерне, на пять дней уменьшить срок созревания. Для сокращения срока создания нового сорта ученые использовали современные технологические методы геномной селекции. Это перспективный способ, позволяющий ввести в геном пшеницы гены от диких сородичей и улучшить характеристики культуры, пояснили эксперты.
В разы быстрее
Специалисты Курчатовского геномного центра внедряют новые технологии, чтобы существенно сократить время селекции пшеницы со свойствами, нужными агрономам. Они смогли уменьшить сроки создания генетических линий, которые, по сути, являются прародителями будущих сортов, с шести-семи до двух лет. Таким образом, время, необходимое для селекции нового сорта, сократится с 15 до шести лет. Первым результатом применения нового подхода станет создание сорта пшеницы, который будет обладать повышенным содержанием клейковины и высокой устойчивостью к болезням.
Клейковина, которую также называют глютеном, — это белок, содержащийся в зерне и характеризующий качество хлеба из пшеницы. Чем выше содержание клейковины, тем дороже зерно и выше качество выпечки. Глютен обеспечивает клейкость и вязкость теста. Обогащенная им мука из мягких сортов пшеницы позволяет печь пышный хлеб, а макароны и тесто для пиццы с высокой долей этого вещества приобретают нужную эластичность. Также клейковина широко используется в качестве полуфабриката для производства продуктов питания, например колбас.
Разработкой эффективных методов селекции в ИЦиГ СО РАН, организации — участнике консорциума «Курчатовский геномный центр», занимаются уже больше 10 лет. За это время порядок проведения экспериментов отработан до мельчайших деталей, и это позволяет ученым быстро двигаться вперед.
— В рамках Курчатовского геномного центра у нас появилась возможность создать необходимую экспериментальную базу, чтобы реализовать наши задумки, — пояснила руководитель отделения «Курчатовский геномный центр ИЦиГ СО РАН» Елена Салина.
Ускорить селекцию генетикам позволяет использование трех современных технологических методов. Первый — дигаплоидная технология. Она позволяет получать растения, в потомстве которых не наблюдается расщепления признаков, поэтому всё оно наследует одинаковые свойства. Такое «базовое» растение уже через год можно отобрать в поле для дальнейшего воспроизводства. Применение растений-дигаплоидов позволяет втрое сократить количество поколений для отбора новой линии.
Второй метод — использование молекулярных маркеров, которые помечают нужные ученым гены. Специалисты используют их на ранних стадиях отбора линий с полезными свойствами и тем самым создают нужный им материал.
И наконец, третий метод — геномная селекция, когда отбор ведут по всему геному растения. Сотрудники центра применили этот подход, чтобы максимально сохранить полезные качества сортов, которые были включены в скрещивание.
Прародители
Работа генетиков состоит из нескольких этапов. Если говорить о получении сорта «на заказ» с повышенным содержанием клейковины и устойчивостью к болезням, то схема такова. Сначала берут два растения-донора: высокоурожайный сорт с большим содержанием белка и клейковины и носителя генов устойчивости к болезням. Их скрещивают между собой и получают первое поколение семян. На стадии второго поколения ДНК получившихся растений анализируют с помощью маркеров, и семена этих растений высаживают в поле, чтобы специалисты могли изучить все свойства нового сорта. Важнейшее из них — сроки созревания, потому что даже сорт с самыми феноменальными свойствами не будет востребован, если он не успеет вызреть в нужном регионе. Третье поколение растений дает возможность оценить элементы структуры урожая. Из полученных линий пшеницы по маркерам отбираются наиболее перспективные.
Сейчас ученые центра вырастили уже четыре поколения пшеницы, которые станут прародителями нового сорта. Процесс его создания переходит в завершающую стадию. Основной отбор генетических линий с нужными свойствами закончен. Весной предстоит последний этап работы с молекулярными маркерами, после начнутся испытания в поле.
Всего ученые отобрали десять линий пшеницы. Они устойчивы к бурой ржавчине и мучнистой росе, а также отличаются высоким содержанием клейковины. Анализ маркеров и оценка в поле покажут, какая из линий окажется наиболее перспективной. Она и попадет в руки селекционерам, которые займутся производством семян для агроклиматических испытаний.
Вопрос метода
Геномная селекция перспективна, поскольку позволяет ввести новые гены от диких сородичей в геном пшеницы и улучшить ее агробиологические характеристики, рассказала заведующая лабораторией «Математическая биология и биоинформатика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (вуз — участник проекта повышения конкурентоспособности образования «5-100») Мария Самсонова. Использование математических методов в геномной селекции позволяет экономить ресурсы, добавила эксперт. В этом случае на основе выборки растений создается математическая модель, которая описывает зависимость между признаком и генотипом. После создания модели уже нет необходимости оценивать признаки растений другой популяции, а можно проводить отбор растений по генотипу.
— Селекция с использованием молекулярных маркеров позволяет целенаправленно вести гибридизацию растений пшеницы с заданными ценными свойствами, значительно сократив время создания сорта или гибрида, — добавила доцент агробиотехнологического департамента РУДН Елена Романова.
Помимо создания сортов и линий пшеницы с ценным биохимическим составом перед генетиками и селекционерами стоит еще одна задача: сорта должны быть устойчивы к опасным фитопатогенам, вызывающим такие болезни, как ржавчина, мучнистая роса, и другие, так как они приводят к значительным потерям урожая. Также, по мнению эксперта, приобретает всё большее значение селекция на устойчивость пшеницы к стрессам в связи с изменениями климата.
Ген устойчивости: как вывести новый сорт пшеницы
Учёный Вячеслав Пискарёв о том, как вывести новый сорт пшеницы и едим ли мы генномодифицированный пшеничный хлеб.
В 2019 году гранты правительства Новосибирской области получили 12 учёных, среди которых заведующий лабораторией генофонда растений Сибирского научно-исследовательского института растениеводства и селекции (филиал ИЦиГ СО РАН), кандидат сельскохозяйственных наук Вячеслав Пискарев. Его проект называется «Выявление высокопродуктивных образцов пшеницы мягкой яровой, устойчивых к листовым патогенам и адаптированных к условиям Сибири». Проще говоря, учёный выводит новые сорта пшеницы, которые будут меньше болеть и хорошо приживутся в сибирских условиях.
Как «закалить» пшеницу?
— Вячеслав Васильевич, как вы вышли на свои нынешние исследования?
— В последнее время растения, особенно пшеница, стали очень сильно поражаться различными заболеваниями. Раньше такого не было. Не знаю, с чем это связано — то ли с потеплением климата, то ли патогены адаптировались к сортам, распространённым в регионе, — но до 2010 года мы, например, вообще не знали, что такое бурая ржавчина. Конечно, она попадалась, но очень редко. А теперь это болезнь стала проявляться ежегодно в различной степени. Теперь редко встретишь растения, которые простоят зелёными, без малейших поражений, до самого сбора урожая. Болезни начинают проявляться на листьях ещё до колошения. Ближе к созреванию от листа практически ничего не остаётся и растению не из чего наливать зерно. Выхода два: либо обрабатывать пестицидами, либо создавать новые устойчивые сорта, — чем мы и пытаемся заниматься.
— Третий путь — переходить на импортные сорта?
— Они заходят к нам слишком сложно. Особенно если брать полевые культуры — всё же климат у нас кардинально отличается от европейского. Их сорта адаптированы к высокой влажности — обилию осадков, отсутствию засухи, — а этого Сибирь им гарантировать не может. К тому же эти сорта в основном чувствительны к плодородию почвы и наличию в ней питательных элементов. Наши сорта и при низком агрофоне могут не сильно снижать урожайность и откликаются на внесение удобрений.
Мы взяли по одной линии из образцов мировой коллекции и с ними работаем, выбирая те формы, которые устойчивы к одному или нескольким заболеваниям в наших условиях. Как правило, сорта, имеющие траслокации с генами устойчивости, слабо приспособлены к нашим условиям, мы отбираем для дальнейшей гибридизации образцы, урожайность которых хотя бы на уровне с нашими сортами.
— Что это за мировая коллекция?
—Одна из таких коллекций хранится во Всероссийском институте генетических ресурсов растений в Санкт-Петербурге, в прошлом Всероссийском институте растениеводства. Собирать коллекцию культурных растений и их диких сородичей там начали ещё в начале прошлого века, теперь эта коллекция находится примерно на третьем—пятом месте в мире. Там и дикие формы растений, и овощные культуры, и полевые. Одной только пшеницы собрано более 40 тысяч образцов. Но в Гренландии, например, есть хранилище ещё больше — там собран своего рода «запас судного дня» для длительного хранения.
— А сколько их в Краснообске?
— Около двух тысяч. Все они из разных мест, являются результатом селекции или естественного отбора потомства в разных почвенно-климатических условиях и несут в себе обширный генофонд. Дело в том, что при выведении нового сорта мы не сможем сосредоточиться только на сибирском материале — иначе получим похожие друг на друга генотипы с одинаковым набором генов, которые при смене условий могут оказаться неэффективными.
Годы усилий
— На каком этапе сейчас находятся ваши исследования?
— В этом году для гибридизации в теплице мы отобрали сорта с генами устойчивости, которые выделились по прошлогодним полевым испытаниям. В частности, выделили шесть генов устойчивости к листовой ржавчине. Теперь скрещиваем эти сорта с сортами, которые созданы в Алтайском крае, на Урале, в Омске, — чтобы нужные гены передать им. А также продолжим испытания коллекции ещё два года.
— Когда можно будет говорить о том, что вы вывели новый сорт?
— Если лет через десять — и то хорошо. Вообще все называют разное время, которое уходит на создание нового сорта зерновой культуры. Я, например, проводил скрещивания и делал отборы, когда поступил в аспирантуру в 2003 году. Из материала, который был получен в том году, мы только в 2013 году передали выведенный сорт Сибирская 21 в Государственную комиссию Российской Федерации по испытанию и охране селекционных достижений. А комиссия работает с сортом ещё два-три года, после чего либо допускает, либо не допускает его к использованию в России.
— А почему такое долгое ожидание?
— Это потому, что при скрещивании двух сортов получается большое разнообразие генотипов. У пшеницы мягкой 42 хромосомы, в каждой хромосоме может быть порядка 2 тысяч генов — считайте сами, какое многообразие было перед нами. И чтобы отобрать один стабильный образец, надо пересеять пшеницу три раза минимум. Только этот процесс занимает три года: один в теплице и два на поле. После чего делаем отборы и изучаем линии в течение 5—7 лет в сравнении с распространёнными сортами. Дальше будет проще. Сейчас появились такие технологии, как геномная селекция: в одних условиях сеем популяцию, полученную от скрещивания двух сильно различающихся сортов, смотрим проявление интересующих селекционера признаков у отдельных растений, а потом с помощью порядка 40 тысяч маркеров ДНК, которые покрывают весь геном пшеницы, можем понять, какие маркеры сцеплены с каким признаком. После этого с помощью чипа с нужными маркерами можем отбирать только те растения, которые дадут высокоурожайное потомство или несут другие нужные гены. Но пока эта технология в России не применяется из-за дороговизны.
ГМО под запретом?
— Самим аграриям ваша работа интересна? Присматриваются к новым сортам?
— Да, но это уже тогда, когда сорт доходит до госкомиссии. Там, как правило, испытываются несколько новых сортов в одинаковых условиях и им есть с чем сравнивать.
— На Западе новый сорт так же долго идёт к фермерам?
— Госкомиссий как таковых там нет, есть службы, которые проверяют на безопасность, в том числе на наличие конструкций ДНК, используемых для трансгенеза. Особенно в тех странах, где сильно боятся генномодифицированных растений. А продвигать сорт — задача учреждения в котором вывели сорт или занимаются его семеноводством.
— У вас тоже есть генные модификации?
— В какой-то степени мы все ГМО, ведь любая мутация — это и есть модификация организма на генном уровне. Но если посмотреть с точки зрения современных технологий, которые позволяют встраивать гены одних объектов в другие, — такого в нашей работе, конечно, нет. Да и в пшеницу сложнее встроить чужеродные гены, чем, например, в табак или сою. В любом случае выращивание генномодифицированных растений у нас запрещено.
— Уже понятно, какой хлеб будет получаться из нового сорта?
— Только, когда проведем отборы, размножим отобранные линии в количестве достаточном для анализа хлебопекарных свойств, сможем что-то сказать об этом. Если мы перенесём лишь ген устойчивости в известные сорта типа Полюшко или Алтайская-70, то о таких линиях мы с уверенностью можем сказать, что они будут с высоким качеством. Если, конечно, этот ген не сцеплен с каким-нибудь «геном качества», детерминирующим формирование клейковины в зерне — например, различные аллели генов глиадина и глютенина.
Борьба за гранты
— Кто вам помогает в работе?
— Лаборатория у нас большая, но на грант мы подавали заявку вчетвером. Кроме меня, это младший научный сотрудник Наталья Бойко, агроном первой категории Валерий Сухомлинов и студентка-бакалавр Новосибирского государственного аграрного университета Виктория Опарина. Со студентами из НГАУ мы работаем постоянно, вот и Виктория побывала у нас в прошлом году и заинтересовалась этой работой. Она собирается дальше идти в науку — возможно, будет поступать в аспирантуру.
— Это была ваша первая заявка на грант?
— На областной — да. А в Российский фонд фундаментальных исследований мы подавали заявку с другой темой во второй раз по направлению «фундаментальные основы повышения продуктивности сельхозкультур». С первого раза там грант не получили, потом провели работу над ошибками, скорректировали некоторые пункты и с 2020 года получили финансирование ещё и в РФФИ.
— В РФФИ условия гранта отличаются от областных?
— На выполнение работы они предоставляют миллион рублей, минус 200 тысяч, которые достаются научному учреждению как накладные расходы. Деньги пока ещё не пришли. А по областному гранту — 500 тысяч рублей, из которых ещё надо вычесть 13-процентный налог, — мы уже отчитались. Купили молотилку для обмолота отдельных колосьев, ноутбук, провели генотипирование изучаемых коллекционных образцов по генам устойчивости к бурой ржавчине, сделали оценку урожайности, устойчивости к заболеваниям в полевых условиях 2019 года и изучили структуру популяции бурой ржавчины пшеницы.
Виталий СОЛОВОВ | Фото Валерия ПАНОВА
Источники
Ген устойчивости Ведомости Законодательного Собрания Новосибирской области, 07/02/2020
Селекция пшеницы: тренды и перспективы
Автор: Александр Акулиничев
«Рынок АПК» продолжает серию статей о мировых и российских тенденциях в селекции, затрагивающих самые разные направления: птицеводство, животноводство, селекцию различных культур. Куда толкает нас глобальный рынок? Какие вызовы бросают изменения климата? С чем придется считаться руководителям сельхозпредприятий в ближайшие годы? На эти вопросы «Рынок АПК» попытается ответить в своих публикациях.
Вторая статья в серии — о текущих новациях и долгосрочных тенденциях в селекции пшеницы. Эта культура по-прежнему остается основой основ сельского хозяйства, ею занимаются если все до единого фермера и агрокомплексы, то подавляющее большинство, а главное — к ней сохраняется повышенное внимание со стороны научного сообщества. Для селекция этот момент — краеугольный камень.
Пшеница становится неустойчивой к климатическим изменениям
Научный прогресс, как мы хорошо знаем из фармацевтики и медицины, это палка о двух концах: с одной стороны, появляется все больше эффективных лекарств, с другой — у вирусов и бактерий формируется резистентность к этим средствам. Примерно то же самое происходит в растениеводческой селекции: чем более устойчивые к болезням и всяческим стрессам сорта создают ученые, тем активнее развиваются вредители и патогенные бактерии. Это вынуждает селекционеров выходить на следующий виток прогресса, а затем вновь и вновь…
И тут возникает проблема, которую предсказать нельзя было даже 20–30 лет назад: новые сорта пшеницы, будучи предельно «заточенными» под конкретные условия и болезни, оказываются неустойчивыми к изменениям климата. Условно говоря, сорт Икс, прекрасно себя чувствующий в Энском районе Энной области, после пяти лет хорошей урожайности и низкой полегаемости вдруг начинает вымирать. Микроскопические, неочевидные человеку изменения погоды, вывели его из узкой «зоны комфорта» — и вот, теперь для Энского района Энной области лучше подходит сорт, раньше нормально себя показывавший только в Эльском районе, в 100 км южнее.
Устойчивость пшеницы к изменениям погоды начала ухудшаться в начале 2000-х гг. Особенно резкой оказалась отрицательная ответная реакция всех культур на повышение влажности. Пшеница очень чувствительна к высокой влажности, которая благоприятна для распространения болезней.
Причиной плохой приспособленности растений к климатическим изменениям, по мнению Хелены Кахилуото из Технологического университета Лаппеэнранта (Финляндия), является снижение генетического разнообразия. Селекция в пользу нескольких нужных характеристик культуры обедняет генофонд за счет исчезновения отсеянных аллелей. Генное разнообразие пшеницы начало снижаться после 1990-х годов. Исследовательница связывает этот спад с увеличением количества мелких производителей пшеницы. Рост конкуренции заставил укоротить производственный цикл, не тратя время на технологические улучшения.
В связи с этой проблемой, общей для Европы, Северной Америки, России и азиатских стран, можно ожидать более жесткого государственного регулирования селекции основных культур в ближайшее десятилетие.
Эффективность сорта все больше зависит от точного применения технологии
Купить элитные семена или семена первой репродукции, а потом счастливо собирать рекордный урожай, не беспокоясь по поводу болезней и вредителей, — увы, такая стратегия сегодня не работает. По сути, приобретая семена того или иного сорта, вы сегодня вынуждены приобретать целую технологию возделывания: с четко прописанными сроками сева, графиком внесения удобрений и обработок, рекомендациями по каждой стадии выращивания. Только при соблюдении методики сорт даст нужный результат.
В ближайшее десятилетие все более острым будет вопрос повсеместного внедрения точного земледелия: чтобы раскрыть потенциал сорта, необходимо будет собирать «большие данные» о погоде на каждом конкретном поле за несколько лет, о типичных болезнях и вредителях, об урожаях и внесении удобрений. По сути, аграриям скоро станет доступна технология программирования урожая, которую разработали ученые Советского Союза на рубеже 1960–70-х гг. Как пишет об этом д. с.-х. н., проф. Валентин Иванович Филин, «теория программирования урожая научно обосновывает принципиальную возможность многократного увеличения урожайности всех выращиваемых культур в Российской Федерации». В случае с пшеницей, «многократное увеличение» означает как минимум 1,5–2 раза. Так, согласно данным исследований Волгоградского государственного аграрного университета с 1975 по 2010 гг., озимая пшеница на территории Нижнего Поволжья способна давать 75–95 ц/га. В работах профессора В. И. Филина можно увидеть детально прописанную механику достижения таких показателей.
Почему программирование урожая не было внедрено прежде, если оно дает такие результаты? Ответ очевиден: сбор и анализ данных вплоть до 2010-х гг. был слишком трудоемким делом. Тот же волгоградский исследователь В. И. Филин считал основные показатели чуть ли не вручную — далеко не каждому хозяйству посчастливится найти агронома, способного на такое. Сегодня же это могут делать компьютеры, причем главное, что в последние годы стал появляться соответствующий софт — компаний, предлагающих услуги «точного земледелия», десятки и сотни. Далеко вперед шагнула и геоинформатика: наблюдения за конкретным участком земли со спутника сегодня уже реальность, тогда как в позднесоветский период это было доступно только известным государственным органам.
Высокие урожаи за короткий срок
Вряд ли это станет повсеместным, но перед аграриями самых теплых регионов России (Краснодарский и Ставропольский края, в первую очередь) в ближайшее десятилетие может открыться заманчивая перспектива убирать не два урожая в год, а целых три. Звучит фантастически? Однако селекция ведет новые сорта именно в эту сторону.
Пожалуй, ведущим специалистом в селекции пшеницы на Юге России сегодня является д. с.-х. н., профессор ФГБНУ Северо-Кавказского ФНАЦ Виктор Иванович Ковтун. В 2018 году он вывел на рынок высокоурожайный сорт мягкой озимой пшеницы универсального типа Статус — и, кажется, впервые перед аграриями замаячила описанная выше перспектива. Дело в том, что Статус — исключительно скороспелый: 257 дней при урожайности на уровне 91,2 ц/га и высоте растения до 94 см! Учитывая, что вегетационный период наиболее урожайных сортов яровой пшеницы составляет 75–90 дней, не за горами тот момент, когда какой-то ученый рискнет попробовать собрать три урожая в год. Если это случится — рынок, конечно, подтянется сразу же.
Скептики скажут: «Глупость! Такого на нашем веку не будет!» Однако и знаменитый «пшеничный переворот», или «зеленая революция» 1940–60-х гг. казалась невозможной, пока селекционер Норман Борлоуг не вывел высокопродуктивные сорта пшеницы с коротким стеблем, устойчивые к полеганию. В 1970 году он получил Нобелевскую премию мира за то, что его исследования фактически утроили производство пшеницы в Латинской Америке и Азии, впервые открыв нескольким странам возможность собирать два урожая в год. То есть 50 лет назад именно два урожая в год, сегодня считающиеся нормой по всему свету, казались невероятным достижением.
Появится генетически модифицированная пшеница
В августе 2018 года журнал Science опубликовал манифест двух биотехнологов о том, что миру не хватает генетически модифицированной пшеницы — с ее помощью, по их мнению, можно было бы бороться с опасными заболеваниями, которые ставят под угрозу сельскохозяйственные отрасли экономики развивающихся стран.
Вся пшеница, которая выращивается и продается в мире, не относится к ГМО: сейчас ни в одной стране не одобрен к коммерческому выращиванию ни один сорт модифицированной пшеницы. По мнению ученых, отсутствие интереса к ГМ-пшенице у разработчиков объясняется давлением общественных активистов, борющихся против ГМО. Вместе с тем, генетическая модификация могла бы, к примеру, защитить пшеницу от пирикуляриоза — опасного грибкового заболевания, впервые обнаруженного в Бразилии и оттуда распространившегося по Южной Америке и другим континентам. И это лишь одно заболевание в длинном перечне, который приводят исследователи.
Признаки, которые действительно хотелось бы получить у ГМ-пшеницы — это те же самые признаки, с которыми бьются селекционеры, отмечает Дмитрий Мирошниченко, старший научный сотрудник лаборатории экспрессионных систем и модификации генома растений «БИОТРОН» в Институте биоорганической химии РАН: «Во-первых, это устойчивость к неблагоприятным факторам — в зависимости от того, где выращивается пшеница, это либо засуха и высокие температуры, либо, наоборот, низкие температуры и заморозки, а также устойчивость к повышенному содержанию соли в почве и так далее. Вторая группа признаков, которая очень востребована — это устойчивость к фитопатогенам, в частности, к ряду грибковых заболеваний, это фузариоз, ржавчина, мучнистая роса и так далее».
Почему ГМ-пшеница не проникает на рынок? Скорее всего, сказывается даже не социальное давление, а давление рынка: появление такого продукта приведет к моментальному переделу на рынке, ведь пшеница — один из ключевых биржевых товаров планеты, и позиции всех игроков давно устоялись. Любая инновация, любой успех или неуспех — это вопрос миллионов и миллиардов долларов, а за такие суммы будет держаться любой производитель, не пуская конкурентов.
Примерно так же энергетические компании ненавязчиво препятствуют проникновению на рынок двигателей, использующих альтернативное топливо: такая конкуренция им попросту не нужна. Правда, как показал опыт другой сферы — табачной, — иногда лучшим способом победить революцию оказывается возглавить ее: крупнейший производитель сигарет, Philip Morris, десятилетиями вкладывал баснословные суммы в рекламу и исследования о «не-вреде» курения, однако в 2000-е гг. бросил это дело — и вывел на рынок бренд электронных сигарет IQOS, по сути выступающий альтернативой «классическому» курению. Возможно, кто-то из крупнейших производителей пшеницы рискнет поступить так же уже в 2020-е гг. — хотя пока есть ощущение, что хлеб из ГМ-пшеницы наше поколение все-таки не попробует.
Кстати
Знаменитый советский биолог-селекционер, д. с.-х. н., проф. Виктор Евграфович Писарев еще в 1930-е гг. выделил несколько ключевых направлений селекции — и до сих пор любой новый сорт, как правило, направлен на одно-два из них. Подбирая сорт, нужно прежде всего спрашивать у селекционера или продавца, какую из перечисленных ниже проблем решает этот сорт. Идеального варианта, который сочетал бы все и сразу, пока не придумали.