Дикорастущие генетические ресурсы в селекции кормовых трав

УДК 631.522/.524:633.2.032

ДИКОРАСТУЩИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ В СЕЛЕКЦИИ КОРМОВЫХ ТРАВ

В. М. КОСОЛАПОВ, академик РАН

Н. Н. КОЗЛОВ, кандидат сельскохозяйственных наук

В. Л. КОРОВИНА

И. А. КЛИМЕНКО, кандидат сельскохозяйственных наук

ВНИИ кормов им. В. Р. Вильямса

141055, Россия, Московская обл., г. Лобня, Научный городок, корп. 1

E-mail: nnkozlov@rambler.ru

Издревле дикорастущие травянистые растения использовались как полноценный источник корма для домашних животных. Современная селекция кормовых растений рассматривает выбор исходного материала как отправную точку селекционной программы, во многом определяющей успешность её выполнения. Кормовые травы, являющиеся компонентом мирового фиторазнообразия, прошли огромный путь эволюции и до сих пор служат основным источником аллелей экологической пластичности. Они представлены совокупностью географических (климатических), эдафических, пастбищных и фитоценотических экотипов и биотипов, сформированных под действием широкого спектра зонально-экологических и биогеоценологических условий. Стоит вопрос о систематизации дикорастущих трав, разнообразие которых служит основой природного фенотипического полиморфизма. При этом огромное значение имеет создание математических моделей идеатипов и локализации культигенов, определяющих продуктивность растений, кормовые достоинства, а также индивидуальный и генетический гомеостаз. Одним из важнейших факторов повышения эффективности селекционного процесса является компьютеризация всех этапов исследований. Компьютеризация позволяет сформировать интегрированный банк данных результатов исследований, а также провести многофакторный анализ, отражающий взаимодействие «генотип–среда». Особое значение имеют математические модели с формализованным описанием механизмов роста, развития и формирования урожая, позволяя с помощью математических расчётов выбрать из множества вариантов наиболее целесообразное направление селекции и количественное выражение соотношения экспрессии признаков. Широкое использование современных ДНК-технологий уже сейчас позволяет целенаправленно и эффективно вести выявление, паспортизацию и мобилизацию перспективного генетического материала. Впервые в истории селекционер стал работать с исходным материалом, который характеризуется не только по фенотипу, но и по нуклеотидной последовательности ДНК — непосредственного носителя наследственной изменчивости. Но, несмотря на огромные успехи в области генетики, камнем преткновения остаются количественные признаки, контролируемые группой генов и проявляющие большую паратипическую изменчивость.

Ключевые слова: кормовые растения, генетические ресурсы, экологическая пластичность, ДНК, полиморфизм, селекция, геном.

Мировое фиторазнообразие, по мнению А. Л. Тахтаджана (1978), насчитывает около 250 тыс. видов с богатейшим внутривидовым разнообразием — совокупностью подвидов, географических (климатических), эдафических, пастбищных, фитоценотических экотипов и биотипов, которое обусловлено большой пестротой зонально-экологических и биогеоценологических условий. Оно формировалось с момента появления первых полимерных цепочек ДНК и РНК под действием спонтанных мутаций и рекомбинаций при наличии физико-географического градиента в течение многих миллионов лет как результат дивергентной эволюции (Уиттекер, 1980).

Большая часть этого фиторазнообразия издревле является важнейшим источником высококачественного корма для животных. Но его окультуривание и вовлечение в селекционный процесс имеет целый ряд специфических особенностей. Прежде всего, это возделывание культурных растений в ареалах произрастания дикорастущих форм, в результате чего естественный и искусственный отборы действуют одновременно. При этом первый направлен на формирование особей, обладающих наилучшей приспособленностью к внешним условиям, а последний — на получение культигенов. В этом случае мы получаем новый материал для создания сортов, сочетающих в себе комплексную устойчивость и продуктивное долголетие. При наличии генетических карт кормовых культур, построенных на изучении ДНК-полиморфизма, возможно с высокой точностью определить базисные сайты культигенов и использовать эту информацию при маркер-вспомогательной селекции.

Для более эффективного использования естественных популяций в качестве исходного материала селекции появилась необходимость установления связи существующего богатства растительных форм с экологическими условиями их произрастания, так как селекционер заинтересован в создании растительных организмов, которые наиболее эффективно реагируют на агроклиматические условия зоны возделывания. В связи с этим ряд исследователей провели попытку систематизации и классификации растений в соответствии с их местом обитания, то есть с учётом потребности в освещении, тепле и влажности, а также устойчивости к повышенной концентрации соли в почве, кислотности почвы и другим условиям внешней среды. Одну из первых попыток изучения приуроченности видов к определённым условиям среды в начале прошлого века предприняли F. E. Clements (1908) и G. Turesson (1922). Позднее это нашло отражение в наиболее крупной работе раннего периода — теории климатических аналогов Г. Майра (1974). В качестве важного дополнения к этим исследованиям Е. Н. Синской (1948) было показано, что каждый экотип представляет собой относительно сложную популяцию или совокупность популяций, то есть комплекс генотипов, имеющих лишь некоторые общие признаки. Эти признаки сформировались в результате эволюционного процесса и имеют важный адаптивный характер.

Изучение и классификация объектов природной изменчивости привели (Вавилов, 1966) к созданию таких постулатов, как центры происхождения культурных растений и гомологичной внутривидовой изменчивости, до сих пор являющихся важнейшими ориентирами при работе с генофондом кормовых растений. Центры происхождения культурных растений имеют большое значение для генетиков и селекционеров, поскольку в них исторически складывался структурный генофонд видов с большим числом генетически доминантных признаков. Для культурных кормовых растений России только два очага характеризуются эндемичными видами — Переднеазиатский и Средиземноморский. Они дали начало таким хозяйственно ценным видам, как люцерна, клевер, вика, сераделла, чина и др. Европейско-Сибирскому центру ведущая роль отводится в селектировании многих возделываемых видов и дифференцированном отборе внутривидовых высококультурных биотипов. Здесь в диком состоянии обитают ценнейшие кормовые растения: экотипы и популяции клевера лугового, тимофеевки луговой, люцерны, ежи сборной, лисохвоста и других видов.

Опираясь на эту научно-теоретическую базу, созданную нашими великими предшественниками, научные исследования во многих странах были направлены на широкую мобилизацию растительных ресурсов и создание генетических банков. В США, Австралии, Мексике, Японии и ряде других стран организованы мощные научные центры по сбору, хранению и интенсивному использованию широкого разнообразия культурных и дикорастущих растений. В Российской Федерации только в коллекциях Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилова (28 тыс. единиц хранения) и Всероссийского научно-исследовательского института кормов им. В. Р. Вильямса (6 тыс. единиц хранения) поддерживается около 34 тыс. образцов кормовых растений из различных климатических зон земного шара.

Исследовательские работы по мобилизации генетических ресурсов кормовых растений с целью вовлечения их в селекционный процесс продолжаются и сегодня. Для изучения дикорастущих кормовых растений и пополнения коллекций оригинальными образцами сотрудниками ВНИИ кормов совместно с ВНИИ растениеводства были предприняты более 45 экспедиций в различные районы нашей страны. Исследованиями были охвачены обширные территории Дальнего Востока, Западной Сибири, Урала, Казахстана, Поволжья, Северного Кавказа, Киргизии, Азербайджана, Грузии, Армении, Украины, Архангельской, Вологодской областей и Кольского полуострова. Только в последние годы организованы 22 экспедиции в различные регионы нашей страны. В результате было обследовано свыше 600 тыс. га, собрано более 6 тыс. образцов семян дикорастущих трав, обнаружены ценные формы люцерны, клевера, донника, эспарцета, костреца, лисохвоста, житняка, пырея, а также целый ряд эндемичных видов.

Перед экспедициями ставилась задача не только выявить и изучить ценные массивы кормовых трав, но и собрать семена и внедрить их в производство в качестве местных сортов. Эта титаническая работа имела большое народно-хозяйственное значение. С использованием дикорастущих видов и местных популяций в нашей стране выведено более 50 сортов люцерны, 92 — клевера лугового, 23 — эспарцета, 46 — тимофеевки луговой, 20 — овсяницы луговой, 15 сортов житняка и т. д. Это специфика такой отрасли сельскохозяйственного производства, как кормопроизводство (Рубцов, 1976).

Огромные достижения в области генетической экологии и практической селекции в первой половины прошлого века (Вавилов,1966) позволили дать обобщённое определение селекции, как эволюции, направляемой волей человека. Ответственно относиться к этому крайне важно, так как около трети населения Земли страдает от недостатка пищевых ресурсов. Изменить ситуацию можно лишь стабильным увеличением продуктивности основных сельскохозяйственных культур на основе дальнейшего развития теории формообразовательного процесса растительного мира и его эффективного использования для повышения производства продуктов питания. Генетический потенциал продуктивности С3-растений при постоянной среднесуточной температуре 17‒18°С в течение всего периода вегетации может достигнуть 50‒60 т/га сухого вещества, а С4-растений в тропической зоне — превышать 100 т/га (Образцов, 2001). Это на порядок выше, чем средняя продуктивность культурных растений в настоящее время.

Селекция сегодня является одним из основных факторов эволюции культурных растений. Однако для эффективного продвижения по этому пути физиологи и генетики должны сформировать концепцию эволюции культурных видов вообще и кормовых трав в частности. В основе этой концепции должна находиться экологическая и продовольственная безопасность народонаселения, а также стабильность в отношении количественных и качественных элементов продуктивности культурных растений. Все эти показатели, с точки зрения генетики, являются очень сложными и представляют огромную трудность для практической реализации. Вместе с тем современный уровень развития науки предоставляет в наше распоряжение ряд важных опций, которые позволяют надеяться на успешное решение части этих задач в ближайшем будущем.

Одним из важнейших факторов повышения эффективности селекционного процесса является компьютеризация всех этапов исследований. Компьютеризация позволяет не только сформировать интегрированный банк данных, содержащих результаты исследований, но и провести многофакторный анализ c использованием современного математического аппарата, отражающего взаимодействие «генотип–среда» как со стороны всего разнообразия условий внешней среды, так и со стороны генотипа, экотипа и вида в отношении проявления индивидуального и популяционного (генетического) гомеостаза. При этом большое значение имела бы интегрированная математическая модель распределения видов, экотипов и сортов культурных растений вдоль градиента изменения основных агроклиматических условий, позволяющая более целенаправленно подходить к сбору генофонда, с высокой точностью определяя места произрастания необходимого материала (Шмальгаузен, 1983).

Отсутствие научно обоснованных сведений о параметрах перспективных сортов сегодня является самым слабым местом в селекционных программах кормовых культур, так как не ясно, какой исходный материал должен подбираться, и какая система признаков и свойств должна изучаться в коллекционных питомниках для получения объективной информации о селекционных ценностях образцов. Остаётся неясным, по каким критериям необходимо осуществлять подбор пар для скрещивания, какой из методов отбора будет наиболее эффективным, и в каких агроклиматических условиях будет иметь преимущество тот или иной образец. Особую значимость для решения этих проблем имеют математические модели с формализованным описанием механизмов роста, развития и формирования урожая. Такая формализация позволяет проводить математические расчёты и из множества вариантов выбрать наиболее целесообразное направление селекции и количественное выражение соотношения экспрессии признаков.

С другой стороны, наиболее популярным исходным материалом в настоящий период стали инорайонные сорта, уже широко используемые в сельскохозяйственном производстве. Селекционеры таким образом пытаются вовлечь в свои программы апробированный материал, отталкиваясь в своей работе от уже достигнутого уровня продуктивности и экологической устойчивости, а с помощью источников и доноров исправить те признаки и свойства районированных сортов, которые пока ещё существенно снижают их продуктивность и кормовые достоинства. Это приводит к тому, что современный сорт конкретной культуры по своему морфофизиологическому облику становится всё менее и менее похож на природный экотип, характерный для данной местности. В этой связи возникает вопрос оценки риска, то есть до каких пределов это возможно для стабильного производства кормов.

Более того, чтобы успешно продвигаться в деле повышения продуктивности, качества корма и экологической стабильности, природной изменчивости внутри культурных видов оказалось явно недостаточно, и стал проявляться так называемый «генетический голод». К тому же сцепление признаков между собой, которое эволюционно в течение огромного количества поколений выработалось у видов, не позволяет создавать исходный материал, сочетающий скороспелость, продуктивность и экологическую пластичность. Поэтому для создания широкого спектра генетической изменчивости, наряду с разными видами отбора, в эпоху современной синтетической селекции стали использовать внутривидовую и отдалённую гибридизацию, физический и химический мутагенез, а также искусственные генетические конструкции. Однако оценка эффективности этих методов по-прежнему велась на основе фенотипических показателей.

Во второй половине прошлого столетия начались активные исследования молекулярных основ наследственности. В результате генетика постепенно становилась молекулярной наукой, последовательно раскрывающей наиболее важную информацию о структуре ДНК, различных клеточных процессах (репликации, репарации и рекомбинации), протекающих с участием ДНК, основных механизмах транскрипции, трансляции и контроля экспрессии генов. Это позволило разработать несколько простых и доступных для широкого использования методов изучения структуры ДНК, а также переноса её из одного растительного объекта в другой (Сингер, 1998; Хлёсткина, 2013). Применение этих методов в селекционно-генетической практике позволяет создавать генетические конструкции, предназначенные для трансгенеза и посттранскрипционного молчания (сайленсинга), а также проводить ДНК-маркирование селекционно ценных признаков и свойств. Таким образом, теоретическая и инструментальная базы современной селекции позволяют уже сейчас вести генетические исследования и геномную селекцию кормовых растений в различных направлениях:

— изучение генетического разнообразия биологических объектов;

— маркирование генов, хромосом, геномов и количественных признаков;

— проведение сравнительной генетики и геномики;

— генетическая паспортизация селекционных достижений и ценных биологических объектов;

— диагностика заболеваний;

— экологический мониторинг;

— филогенетические исследования;

— формирование насыщенных генетических карт хромосом и геномов;

— создание генотипов с сочетанием нуклеиновых кислот, отличных от природных;

— проведение маркер-вспомогательной селекции (MAS-marker assisted selection).

Поэтому современная структура генофонда, помимо традиционной фенотипической коллекции, стала включать генетическую коллекцию с ДНК-конструкциями, необходимыми для трансгенеза и посттранскрипционного молчания, а также формы с ДНК-маркированными признаками и свойствами. Впервые в истории селекционер стал работать с исходным материалом, который характеризуется не только по фенотипу, но и по нуклеотидной последовательности ДНК — непосредственного носителя наследственной изменчивости.

Вместе с тем с расширением использования ДНК-технологий мы столкнулись с проблемами, характерными для генетики количественных признаков: сложным генетическим контролем основных селекционно ценных признаков и малыми фенотипическими эффектами аллелей. Насколько это серьёзно, можно проиллюстрировать на примере селекции на повышение содержания белка, одного из важнейших источников питания. Белок — это богатейшая смесь ферментов, функционирующих в период уборки урожая или уже инактивированных и перешедших в разряд запасных с выполнением второстепенных функций (Козлов, 1998). Если учесть, что количество белков примерно соответствует количеству генов, обеспечивающих жизнеспособность организма, то у растений их более тридцати тысяч. Поэтому индивидуальный эффект этих генов очень мал, и успешно вести селекционно-генетическую работу с таким огромным количеством белков/генов затруднительно даже с использованием самых современных методов. Прежде всего, чтобы разобраться в этом огромном количестве белков, необходимы современные методы анализа. В настоящее время наиболее точным методом идентификации белков и их количественной оценки является жидкостная хроматография — достаточно сложный метод, требующий высокой квалификации кадров и больших финансовых затрат.

Определённые перспективы в решении проблемы селекции на белковость имеет выделение природных или создание искусственных генетических конструкций, производящих запасные белки, с последующим их переносом в перспективный исходный материал. Конечно, в этом случае очень остро встанет вопрос экологической безопасности таких белков, а также изучения их биологической ценности как компонента питания.

Таким образом, теория современной селекции рассматривает выбор исходного материала как отправную точку селекционной программы, во многом определяющей её успех. Дикорастущие формы кормовых растений служат основным источником аллелей экологической пластичности. Сегодня стоит вопрос о формировании и систематизации дикорастущего фиторазнообразия, отражающего не только совокупность природного фенотипического полиморфизма и его распределение вдоль эколого-географического градиента, но и создание математических моделей идеатипов и локализации культигенов, определяющих продуктивность, кормовые достоинства, индивидуальный и генетический гомеостаз. Широкое использование современных методов ДНК-технологий уже сейчас позволяет эффективно вести выявление, паспортизацию и мобилизацию перспективного генетического материала.

Литература

  1. Вавилов Н. И. Избранные сочинения. Генетика и селекция / Н. И. Вавилов. — М.: Колос, 1966. — 559 с.
  2. Биологическая полноценность кормов / Н. Г. Григорьев, Н. П. Волков, Е. С. Воробьёв и др. — М.: Агропромиздат, 1989. — 288 с.
  3. Козлов Н. Н. Варьирование, взаимосвязь и комбинационная способность сортообразцов клевера лугового по содержанию сырого белка / Н. Н. Козлов, Т. Ф. Прибыткова // Новые методы селекции и создание адаптивных сортов сельскохозяйственных культур: результаты и перспективы: сб. науч. тр. — Киров, 1998. — С.195‒197.
  4. Майр Э. М. Популяции, виды и эволюция / Э. М. Майр. — М.: Изд-во «Мир», 1974. — 460 с.
  5. Образцов А. С. Потенциальная продуктивность культурных растений / А. С. Образцов. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2001. — 504 с.
  6. Раменский Л. Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель / Л. Г. Раменский. — М., 1938. — 620 с.
  7. Рубцов М. И. Генетический фонд кормовых культур и использование его в селекции / М. И. Рубцов, А. Г. Яртиев // Кормопроизводство: сб. науч. тр. Вып. 13. — 1976.
  8. Сингер М. Гены и геномы / М. Сингер, П. Берг. — М.: Мир, 1998. — Т. 1. — 373 с.
  9. Синская Е. Н. Динамика вида / Е. Н. Синская. — М.-Л., 1948. — 526 с.
  10. Смурыгин М. А. Расчёт скороспелости сортов клевера лугового для условий Центрального региона Нечернозёмной зоны РСФСР / М. А. Смурыгин, Н. Н. Козлов, В. П. Фатеев // Сельскохозяйственная биология. — 1985. — № 7. — С.11‒13.
  11. Тахтаджан А. Л. Флористические области земли / А. Л. Тахтаджан. — Л.: Наука, 1978. — 248 с.
  12. Уиттекер Р. Х. Сообщества и экосистемы / Р. Х. Уиттекер. — М.: Прогресс, 1980. — 327 с.
  13. Хлёсткина Е. К. Молекулярные маркеры в генетических исследованиях и селекции / Е. К. Хлёсткина // Вавиловский журнал генетики и селекции. — 2013. — Т. 17. — № 4/2. — С.1044‒1054.
  14. Шмальгаузен И. И. Пути и закономерности эволюционного процесса / И. И. Шмальгаузен. — М.: Наука, 1983. — 360 с.
  15. Clements F. E. An ecological view of the species concept / F. E. Clements // Amer. Nat. — 1908. — No 42. — 253 p.
  16. Turesson G. The genotypical response of the plant species to the habitat / G. Turesson // Hereditas. — 1922. — No 3. — P.211‒350.

WILD GENETIC RESOURCES IN FORAGE GRASS BREEDING

V. M. KOSOLAPOV, academician of Russian Academy of Science

N. N. KOZLOV, PhD Agr. Sc.

V. L. KOROVINA

I. A. KLIMENKO, PhD Agr. Sc.

The All-Russian Williams Fodder Research Institute RAS

141055, Russia, the Moscow region, Lobnya, Science Town, 1

E-mail: nnkozlov@rambler.ru

From the earliest times wild grasses were used as a fodder for livestock. Modern plant breeding focuses on parent selection as the main step of a breeding program, determining its success. Forage grasses perform as the main source of alleles due to the long evolution process, high diversity and adaptability to various ecological conditions. Different ecotypes and biotypes appeared under the influence of the wide range of environmental conditions. Classification of wild grasses, being the main component of natural phenotypic polymorphism, is of high importance. Developing mathematical models, expressing variety features and localization of domesticated species, plays an important role in breeding programs. It describes plant productivity, forage value, individual and genetic homeostasis. Computerization significantly increases breeding efficacy. It forms research data base and conducts multi-factorial analyses for genotype–environment interaction. Models for plant growth mechanisms and yield formation allow selection of the most effective breeding strategy and trait correlation. DNA technologies are an effective tool in gaining data on promising germplasm. Breeders deal with parental material, characterized both by phenotype and DNA sequence, source of genetic variation. However quantitative traits, controlled by the group of genes and showing high paratypic variability, remain a challenge to be overcome.

Keywords: forage plant, genetic resource, ecological flexibility, DNA, polymorphism, breeding, genome.

References

  1. Vavilov N. I. Izbrannye sochineniya. Genetika i selektsiya / N. I. Vavilov. — Moscow: Kolos, 1966. — 559 p.
  2. Biologicheskaya polnotsennost kormov / N. G. Grigorev, N. P. Volkov, E. S. Vorobev et al. — Moscow: Agropromizdat, 1989. — 288 p.
  3. Kozlov N. N. Varirovanie, vzaimosvyaz i kombinatsionnaya sposobnost sortoobraztsov klevera lugovogo po soderzhaniyu syrogo belka / N. N. Kozlov, T. F. Pribytkova // Novye metody selektsii i sozdanie adaptivnykh sortov selskokhozyaystvennykh kultur: rezultaty i perspektivy: sb. nauch. tr. — Kirov, 1998. — P.195‒197.
  4. Mayr E. M. Populyatsii, vidy i evolyutsiya / E. M. Mayr. — Moscow: Izd-vo “Mir”, 1974. — 460 p.
  5. Obraztsov A. S. Potentsialnaya produktivnost kulturnykh rasteniy / A. S. Obraztsov. — Moscow: FGNU “Rosinformagrotekh”, 2001. — 504 p.
  6. Ramenskiy L. G. Vvedenie v kompleksnoe pochvenno-geobotanicheskoe issledovanie zemel / L. G. Ramenskiy. — Moscow, 1938. — 620 p.
  7. Rubtsov M. I. Geneticheskiy fond kormovykh kultur i ispolzovanie ego v selektsii / M. I. Rubtsov, A. G. Yartiev // Kormoproizvodstvo: sb. nauch. tr. Vyp. 13. — 1976.
  8. Singer M. Geny i genomy / M. Singer, P. Berg. — Moscow: Mir, 1998. — Vol. 1. — 373 p.
  9. Sinskaya E. N. Dinamika vida / E. N. Sinskaya. — Moscow-Leningrad, 1948. — 526 p.
  10. Smurygin M. A. Raschet skorospelosti sortov klevera lugovogo dlya usloviy Tsentralnogo regiona Nechernozemnoy zony RSFSR / M. A. Smurygin, N. N. Kozlov, V. P. Fateev // Selskokhozyaystvennaya biologiya. — 1985. — No. 7. — P.11‒13.
  11. Takhtadzhan A. L. Floristicheskie oblasti zemli / A. L. Takhtadzhan. — Leningrad: Nauka, 1978. — 248 p.
  12. Uitteker R. Kh. Soobshchestva i ekosistemy / R. Kh. Uitteker. — Moscow: Progress, 1980. — 327 p.
  13. Khlestkina E. K. Molekulyarnye markery v geneticheskikh issledovaniyakh i selektsii / E. K. Khlestkina // Vavilovskiy zhurnal genetiki i selektsii. — 2013. — Vol. 17. — No. 4/2. — P.1044‒1054.
  14. Shmalgauzen I. I. Puti i zakonomernosti evolyutsionnogo protsessa / I. I. Shmalgauzen. — Moscow: Nauka, 1983. — 360 p.
  15. Clements F. E. An ecological view of the species concept / F. E. Clements // Amer. Nat. — 1908. — No. 42. — 253 p.
  16. Turesson G. The genotypical response of the plant species to the habitat / G. Turesson // Hereditas. — 1922. — No. 3. — P.211‒350.

Комментарии запрещены.