alt
 
О новых методах селекции сои за рубежом и о возможности их использования в селекции сои во ВНИИМК

О новых методах селекции сои за рубежом и о возможности

их использования в селекции сои во ВНИИМК

 

С. В. Зеленцов

 

Современная селекция сои в мире ведётся в различных направлениях, общее количество которых насчитывает несколько десятков. Но по значимости и распространённости главными являются следующие (табл.):

Направление селекции

Тип признака

Селекция на повышение урожайности в оптимальных условиях возделывания

Полигенный

Селекция на иммунитет и толерантность к основным патогенным микроорганизмам, насекомым (ГМО Bt) и гербицидам (ГМО RR)

Моногенные,

олигогенные

и полигенные

Селекция на улучшение биохимического состава семян (повышение содержания белка, водорастворимых углеводов, снижение ингибиторов трипсина, изменение баланса жирных кислот, белковых и углеводных фракций)

Моногенные,

олигогенные

и полигенные

Селекция на повышение адаптивности к абиотическим стрессорам (засухоустойчивость, холодоустойчивость, солеустойчивость, фотонейтральность)

Олигогенные

и полигенные

Селекция на улучшение технологических качеств растений и семян (устойчивость к полеганию, габитус куста, крупность и окраска семян, доля и прочность семенной оболочки и т.п.)

Моногенные,

олигогенные

и полигенные



Всё современное мировое разнообразие методов селекции сои традиционно раскладывается на три направления: индивидуальный и массовый отбор, внутривидовую и отдалённую гибридизацию и разные типы мутагенеза, среди которых физический, химический мутагенез, трансгеноз и редактирование генома.

Во всех случаях результатом селекции должен стать сорт, имеющий улучшенные параметры одного или нескольких хозяйственно ценных признаков. Прежде всего, это урожайность и её стабильность по годам, срокам посева и климатическим зонам, а также устойчивость к биотическим и абиотическим стрессорам и биохимический состав семян.

Самый простой метод селекции сои – индивидуальный и массовый отбор из уже имеющихся сортов или линий. Продолжает использоваться во всём мире. Подразумевается, что обладающий хозяйственно ценными количественными признаками исходный сорт сои гетерогенен по некоторым признакам, обычно визуально не проявляющимся в зоне выведения сорта. Для реализации метода отбора этого достаточно высеять такой сорт на дифференцирующем фоне и провести массовый или индивидуальный отбор наиболее адаптивных особей.

 

Тип отбора

Признаки

Основные

фоны отбора

Стоимость метода/

срок выведения сорта

Оценочная

результативность

Страны,

компании,

применяющие этот метод

Индивидуальный

Адаптивность

к новым условиям выращивания, к биотическим и абиотическим стрессорам

Инфекционные фоны, засушники, криокамеры,

иные динамики температур или фотопериодов

Низкая/

короткий

От средней до высокой

США, Канада,

Бразилия, Китай, Индия,

Индонезия,

Россия

Массовый

«»

Посев в иных географических регионах, отличающихся эколого-географическими условиями

Низкая/

короткий

От низкой до средней

Китай, Индия,

Япония, ЮАР,

Сербия

(НС Семе),

Канада

(Семанс Прогрейн)

 

Известны факты, когда сербская компания НС Семе из Нови Сад и канадская компания Семанс Прогрейн из Монреаля таким образом проводили отборы из своих сортов, высеянных в разных регионах Украины от северного Полесья до засушливого юга в Одесской и Херсонской областях. Фактически, в условиях Украины проводилось размножение уже зарегистрированных в Сербии и Канаде сортов с проведением интенсивных сортопрочисток и массовым удалением слаборазвитых или угнетённых растений. Оставшиеся растения, по мнению представителей НС Семе и Семанс Прогрейн, являются основой уже новых сортов, адаптированных к местным условиям среды. Этот же метод селекции сои активно применяется в Индии и ЮАР. В Индии есть потребности в сортах сои для пожнивных осенних посевов в качестве 2-й и даже 3-ей культуры, способной давать урожаи при умеренных зимних температурах и укороченных фотопериодах. Для этого местные и иностранные сорта сеют в октябре и отбирают из них наиболее продуктивные и высокорослые растения. В ЮАР этим методом отбирают из известных сортов самые продуктивные растения на фоне сокращённых объёмов полива. Китайские селекционеры пошли дальше, и отобрали в посевах американских ГМО-сортов хлопчатника морфологически отличающиеся особи, размножили их и назвали своими сортами.

Данный метод селекции наиболее эффективен, когда в качестве среды для отбора используется современный высокопродуктивный сорт, нередко с оригинальными признаками. И достаточно выделить особи даже с незначительными отличиями от базового сорта по признакам, не затрагивающим наиболее ценные достоинства, и такой сорт по формально-юридическим нормам многих стран, включая Россию, становится новым.

Есть немало примеров использования этого метода селекции на территории России. Вполне успешно метод отбора используется во ВНИИМК в селекции сои и масличного льна. Собственно, начало селекции сои во ВНИИМК начиналось именно с этого. И сейчас периодически, при сортопрочистках наших сортов, или на дифференцирующих фонах мы периодически проводим индивидуальные отборы растений  с интересными фенотипами, их последующим размножением и оценкой по хозяйственно ценным признакам. В этом году планируется передача нового сорта сои с повышенным содержанием белка в семенах на Госсортоиспытание, пока под селекционным названием Л-2717. Этот сорт был создан на основе индивидуального растения, отобранного из нашего же сорта Парма по признаку изменённого осмотического давления клеточного сока, обеспечивающего повышенную устойчивость к пепельной гнили.

Активно метод отборов применяется нами в селекции масличного льна. В прошлом 2016 г. на Госсортоиспытание был передан сорт льна РФН, родоначальное растение которого было выделено из сорта Ручеёк в летнем (июньском) посеве. Готовится на передачу в Госсортоиспытание сорт льна «Ы-117», отличающийся не имеющей аналогов в мире полной полевой устойчивостью ко льноутомлению. Его родоначальное растение было выделено из сорта Сюрприз в очаге фузариозного увядания льна.

Основным методом селекции сои во всём мире в настоящее время является искусственная гибридизация. Современные подходы к селекции сои в рамках этого метода связаны, прежде всего, с совершенствованием методов подбора родительских пар, несущих нужные хозяйственно ценные признаки, а также с совершенствованием методов отбора перспективных особей в расщепляющихся гибридных популяциях.

Современные методы подбора родительских пар во всём мире фактически определяются простым выбором лучшего сортообразующего родителя с максимальной ОКС. Сегодня коммерческий успех любого селекционного учреждения в мире определяется наличием своих собственных сортообразующих форм сои, активно используемых в качестве источников хозяйственно ценных признаков, и, чаще всего, неизвестных конкурентам. Именно поэтому большинство сортов сои той или иной кампании зачастую имеют общие, фирменные морфологические черты. Есть такие сортообразующие формы и у нас. До недавнего времени мы наиболее активно использовали в качестве родителей наши сорта Вилана и Славия с их уникальными комплексами признаков. Сейчас у нас появилась ещё более уникальная сортообразующая линия Гном 1809 TD.

 

Методы создания исходного материала

 

Метод создания исходного материала

Признаки

Период выведения сорта

Стоимость метода

Результативность

Страны,

компании,

применяющие этот метод

Внутривидовая гибридизация

Моногенные, олигогенные, полигенные

Средний

От низкой до средней

От низкой до высокой

Распространён повсеместно

Отдалённая гибридизация

«»

Длительный

(требуется многократное беккроссировае)

От средней до высокой

Преиму-щественно низкая

США, Канада, Китай, Япония,

обе Кореи, Россия

 

Чаще всего сортообразующие формы сои в мире ищут и находят старым, но сохраняющим свою актуальность и сейчас, простым методом перебора. Реже, таких родителей создают более сложными методами с использованием насыщающих, возвратных или ступенчатых скрещиваний, мутагенеза, межвидовой гибридизации или генной инженерии.

Составной частью современного метода гибридизации в селекции сои являются методы отбора перспективных особей в расщепляющихся гибридных популяциях и их совершенствование. Здесь главной проблемой является надёжность оценок потенциальной урожайности по индивидуальному растению. Исследования по этому вопросу в мире ведутся, в основном используется статистический подход. Это когда задача повышения надёжности оценок урожайности на организменном (индивидуальном) уровне решается через поиск корреляций этого параметра с другими признаками и разработкой алгоритмов снятия средовых шумов. Есть определённые наработки по этому методу у белорусов. Подобные исследования проводятся и у нас, причём в двух независимых направлениях. В рамках этих исследований уже созданы два сорта сои Чара и Олимпия.

Ещё одним направлением в отборе перспективных особей в расщепляющихся популяциях, приобретающих в последние годы всё большую популярность, являются методы маркерной и геномной селекции.

Эти методы очень наукоёмкие и требуют существенных материальных затрат. Маркерная селекция – она же отбор с помощью маркеров (ОПМ), основана на выявления генетических маркеров - генов или последовательностей ДНК – генетически тесно сцепленных с «главными» генами хозяйственно ценных признаков, а также в прямом маркировании генов, играющих ключевую роль в резистентности к различным болезням.

Методы выделения перспективных особей в гибридных комбинациях

 

Методы выделения перспективных особей

Признаки

Период выведения сорта

Стоимость метода

Результативность

Страны,

компании,

применяющие этот метод

Традиционный, по фенотипу

моногенные, олигогенные, полигенные

средний

низкая

от низкой до высокой

распространён повсеместно

По фоновым признакам, индексный

полигенные

средний

от низкой до средней

от низкой до высокой

Россия,

Белоруссия

Маркерная селекция (ОПМ)

моногенные, олигогенные

от среднего до длительного

(короткий*)

высокая

от низкой до высокой

США, Канада, Белоруссия

Геномная селекция

моногенные, олигогенные

от среднего до длительного

(короткий*)

очень

высокая

обещают высокую

Тестируется в США

 

Основная идея маркеров в том, что существуют менделирующие гены со значительным влиянием (чаще всего сцеплением) на признаки, кодируемые группой аллелей, информацию о которых можно использовать в селекции. За проявление экономически важных признаков отвечает довольно большое количество генов. Некоторые из этих генов вносят значительный вклад в формирование и функционирование ряда ценных, нередко, полигенных признаков, и могут выступать в качестве своеобразных меток, позволяющих проследить наследование данной группы аллелей.

Метод ОПМ предполагает использование ДНК-маркеров, тесно сцепленных с целевым геном, вместо, или вместе с фенотипическим анализом. Маркеры, тесно сцепленные с целевым геном, являются надежным инструментом для предсказания фенотипа.

Отбор нужного аллеля целевого гена осуществляется на основе тесно сцепленного с ним аллеля соседнего маркерного локуса. Бóльшая точность отбора достигается при использовании пары маркеров, расположенных вблизи гена по разные стороны от него (т. е. маркеров, фланкирующих целевой ген). Если ген отсеквенирован и выявлены различия нуклеотидной последовательности разных аллелей данного гена, то можно разработать так называемый «внутригенный маркер». Использование такого маркера позволит отбирать нужные генотипы с наиболее высокой точностью.

Для использования ДНК-маркеров в селекции по тому или иному признаку требуется информация о нуклеотидных последовательностях генов, контролирующих данный признак, или, по крайней мере, о локализации их в геноме, а также о тесно сцепленных с ними маркерах. Если исходные данные отсутствуют, то необходимые подготовительные исследования могут занять не один год. С целью экономии времени и средств можно проводить молекулярно-генетический анализ и отбор одновременно.

Отбор с помощью маркеров (ОПМ) позволяет быстро отобрать большое количество растений с нужными признаками на раннем этапе процесса селекции. Отсюда традиционно делается вывод, что при использовании ОПМ для внедрения новых сортов может потребоваться гораздо меньше времени: работу по выведению каждого нового сорта сельскохозяйственных культур можно сократить на несколько лет. Однако селекционная практика показывает, что чаще всего это не так, и маркерная селекция растягивается на традиционные 7–10 лет, да ещё оказывается намного дороже.

ОПМ имеет определенные ограничения, которые не в последнюю очередь связаны с его неэффективностью при работе с определенными сельскохозяйственными культурами. Наиболее проработан метод ОПМ на пшенице. Однако есть целый набор культур, где ОПМ малоэффективен. Применение ОПМ на сое показывает промежуточные результаты. Тем не менее, ОПМ объявлена ФАО в качестве одной из приоритетных областей наращивания потенциала в рамках программ селекции сельскохозяйственных культур, особенно в развивающихся странах.   

Внедрение методов высокопроизводительного генотипирования сельскохозяйственных объектов открыло путь для применения нового метода селекции, основанного на анализе большого числа ДНК-маркеров, равномерно распределенных по геному, – геномной селекции.

Геномная селекция, как и ОПМ, подразумевает использование ДНК-маркеров и отбор по генотипу. Чем же геномная селекция принципиально отличается от ОПМ? Во-первых, для геномной селекции не требуются знания о генах, влияющих на признаки, а значит, не нужны многолетние генетические исследования, предшествующие селекционному процессу. Во-вторых, геномная селекция имеет преимущество при отборе по признакам, имеющим сложный полигенный контроль, тогда как метод ОПМ, как правило, эффективен лишь в случае моно- или олигогенного контроля признаков. Тем не менее, если процесс геномной селекции приведет к нежелательной коселекции признаков (например, повышенной молочной продуктивности и предрасположенности к маститу у крупного рогатого скота), избежать дополнительных генетических исследований, подобных тем, что требуются для ОПМ, не удастся.

Процесс геномной селекции включает три этапа: анализ «тренировочных поколений» с использованием методов фенотипирования и генотипирования, выявление корреляций между фенотипом и генотипом, дальнейший отбор по генотипу среди «кандидатов на селекцию». Установлено, что с помощью ДНК-маркеров можно отбирать устойчивые генные сети, сохраняющиеся в поколениях. Однако необходимыми условиями для успешного осуществления геномной селекции являются адекватное количество тренировочных поколений, используемых маркеров и правильное соотношение числа маркеров и исследуемых генотипов.

В настоящее время наиболее активно развиваются программы по геномной селекции свиньи, крупного рогатого скота и пшеницы. В США начаты работы по разработке геномной селекции сои. И опять разработчики геномной селекции обещают сократить срок селекции до 3–4 лет. Недавно созданное селекционно-генетическое подразделение ЭФКО также декларирует, что за пять лет они собираются создавать этим методом передовые сорта сои.

Таким образом, результативность геномной селекции на сое пока не подтверждена, но уже сейчас видно, что для её реализации потребуются огромные деньги на секвенирование геномов родительских сортов сои, на оборудование, реактивы и штаты. Так например, первое секвенирование генома человека стоило около 3 млрд долларов. Сейчас расшифровка генома человека стоит примерно 300 тыс. руб. Сейчас даже для простого вируса секвенирование стоит 2000 долларов и занимает максимум неделю. Дрожжевой геном в Европе делают за 30 000 евро, анализ занимает несколько недель. Близка к завершению программа по секвенированию генома за 1000 долларов. Но стоимость оборудования (секвенаторов) варьирует от 250 тыс. до 10 млн. долларов.

Однако все вышеперечисленные методы основаны на использовании уже существующих в генофондах культурных растений признаков. А вот если нужного признака там нет, селекционеру не хватает естественного разнообразия признаков, существующего генофонда, то он может использовать третью группу методов селекции – искусственный мутагенез. Использование различных типов мутагенеза позволяет получать генные, хромосомные или геномные мутации (полиплоиды), для манипуляций с отдельными генами — разные варианты генетической инженерии, включая редактирование генома.

Самые изученные и обкатанные в производстве направления – химический и физический мутагенез. Эти методы используются давно и известны все их сильные и слабые стороны. В последние десятилетия интерес к этим типам мутагенеза снизился. Но последние два года ФАО вместе с МАГАТЭ пытаются возродить интерес к физическому мутагенезу под другим названием – т. н. «ядерные технологии в селекции». По сути – это тот же хорошо известный радиационный мутагенез. Но в ФАО его преподносят как очередную новейшую разработку в области селекции, максимально адаптированную для развивающихся стран, способную обеспечить получение сортов с улучшенными количественными признаками в течение 3–5 лет. И опять обещается выведение устойчивых сортов с более высокими урожаями, улучшенным качеством продукции, большей толерантности к экологическим стрессорам, таким как болезни, засуха и солёность. Причём, декларируется, что выведенные с помощью ядерного метода селекции сорта в значительной степени будут способствовать достижению глобальной продовольственной безопасности и повышению биоразнообразия.

 

Тип

Признаки

Стоимость

метода

Оценочная результативность

Страны, компании,

применяющие

этот метод

Физический

мутагенез (ядерные

технологии)

Моногенные и олигогенные

От низкой

до средней

От низкой

до средней

Развивающиеся страны Азии и Африки

под эгидой

ФАО и МАГАТЭ

Генетические

модификации

(трансгеноз)

Моногенные

От очень высокой

(при создании нового ГМО)

до средней

(при использовании готового ГМО)

Высокая

США, Канада,

Китай, Бразилия, Аргентина,

развивающиеся страны Азии и Африки

под эгидой

ФАО и ЮНЕСКО

Редактирование генома

(CRISPR)

Моногенные и олигогенные

Очень высокая

В разработке

(обещают

высокую)

США

(Monsanto, DuPont),

Германия

(Bayer)

 

Более технологически продвинутым методом мутагенеза является генная инженерия, позволяющая дополнять геном растения вставкой гена от другого организма. Технология у всех на слуху. ФАО на пару с ЮНЕСКО в своё время объявляла технологию генетической модификации геномов как новейшую разработку, максимально адаптированную для развивающихся стран, способную обеспечить опять в течение 3–5 лет (ФАО, ЮНЕСКО прямо обожают указывать эти сроки) получение сортов с более высокими урожаями, улучшенным качеством продукции, большей толерантности к экологическим стрессам, таким как болезни, засуха и солёность. К чему всё это привело в реальности, известно всем. Несмотря на всю технологическую мощь, генно-инженерные методы селекции оказались способны работать только с простыми генами, колирующими качественные признаки.  В 2003 году компания DuPont заявила о близости к завершению исследований по трансгенозу «генов урожайности» в гмо-сорта пшеницы. Обещали через 3–4 года поставить на мировой рынок первый гмо-сорт самой высокоурожайной в мире пшеницы. С той поры прошло 14 лет. А сорта нет, и не предвидится. К тому же в РФ исследования в области ГМО требуют лицензирования, а ГМО-сорта запрещены к возделыванию.

Недавно компании Monsanto и DuPont сообщили о новом методе редактирования генома организмов – технологии CRISPR. (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – Короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами). CRISPR позволяет удалять и замещать кусочки генома проще, быстрее, а главное – точнее, чем любые другие методы генетической модификации. Monsanto, DuPont, Bayer начали использовать эту технологию для редактирования генов сельскохозяйственных растений. В феврале 2016 года Monsanto первой получила лицензию на практическое использование технологии CRISPR-Cas при редактировании геномов кукурузы, сои, хлопка и овощей. Bayer создала собственное совместное предприятие, основанное на технологии редактировании генов CRISPR. Dow DuPont получила лицензии на собственные технологии редактирование генов, и осенью 2016 года представила новый гибрид кукурузы, устойчивый к засухе.

Таким образом, в современной мировой селекции сои применяется целый набор технологий и методов, действительно способных повысить эффективность селекции сои. Однако ни одна из этих современных и дорогостоящих технологий так и не способна оказывать влияние на главный количественный признак – урожайность.