Гены не обманут

Как методы биотехнологии позволяют ускорять селекцию и получать сорта с заданными характеристиками

Примерно десять тысяч лет назад человек «одомашнил» дикого предка современной пшеницы. Этот приём сегодня получил название «доместикация», он положил начало селекции сельскохозяйственных растений – технологии, которую называют критической для современной цивилизации. Селекция позволяет получать сорта и гибриды сельхозкультур, которые дают высокие урожаи с высокой питательной ценностью продукции – именно это нужно, чтобы прокормить миллиарды людей. Тысячелетиями селекционеры тратили на создание сорта долгие годы, но в XX веке появились технологии, которые позволили в разы ускорить процесс и сделать его более осознанным – благодаря новым знаниям о механизмах наследственности, о ДНК. Сегодня эти технологии доступны селекционерам «Щёлково Агрохим». На примере работы с сортами озимой пшеницы мы расскажем, какие перспективы открываются перед аграриями. Спойлер: скоро можно будет создать сорт не только под агроклиматический регион, но даже под задачи конкретного поля…

Отбор под микроскопом

«Щёлково Агрохим» развивает селекционное направление уже более десяти лет. Инициатором развития нового направления, наряду с традиционным – производством средств защиты и питания растений, – стал гендиректор компании, академик РАН Салис Каракотов. Приоритетная цель – обеспечить суверенитет страны по семенам стратегически важных сельхозкультур. Команду селекционеров зерновых и зернобобовых культур в «Щёлково Агрохим» ведёт за собой директор департамента селекции и семеноводства, д. с.-х. н., профессор и член-корреспондент РАН Александр Прянишников. Под его началом создаются новые высокопродуктивные сорта озимой пшеницы, сои и теперь ещё и гороха.

Учёный с мировым именем Александр Иванович опубликовал 200 научных работ, в том числе в зарубежных научных изданиях – сторонник инновационных методов в работе. Как и все другие направления деятельности компании, селекционное развивается в тесном сотрудничестве с передовыми научными учреждениями нашей страны. Одно из них – ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии (ВНИИСБ), где совершенствуют методы клеточной и генной инженерии для создания новых форм сельхозкультур и работают с различными ДНК-технологиями.



«Институт сотрудничает со «Щёлково Агрохим» долгие годы, – говорит завлабораторией прикладной геномики и частной селекции сельскохозяйственных растений Михаил Дивашук. – Но с тех пор, как в компании начали развивать направление селекции зерновых культур, взаимодействие стало ещё более активным. Для оптимизации и ускорения селекционного процесса мы используем практически все доступные нам ДНК-технологии, в том числе апробируем новые».

В этом году лаборатория завершила масштабную работу по оценке генетического разнообразия большой коллекции сортов мягкой озимой пшеницы, предоставленных «Щёлково Агрохим». Целью было выявить образцы с сочетаниями генов, которые несут наиболее ценные хозяйственные признаки. На их основе в дальнейшем селекционеры «Щёлково Агрохим» будут создавать новые, ещё более эффективные сорта.

К примеру, учёных интересовал «ген короткостебельности» (Rht). Это один из наиболее ценных признаков для современных высокоурожайных сортов, возделываемых по интенсивной технологии. Присутствие Rht обеспечивает небольшую высоту растения и достаточную толщину стебля, что не даёт полновесному колосу полегать под сильными ветрами.

Ещё один важный признак, определяемый на генетическом уровне, – чувствительность к фотопериоду. За неё отвечает ген Ppd. В более северных широтах сорта с таким геном скорее продемонстрируют лучшие характеристики по урожайности, поскольку более эффективно используют более продолжительный световой день (к таким, например, относится «щёлковская» Ермоловка).

Производителям зерна важно не только количество, но и качество урожая. Один из генов, который отвечает за него – а именно за содержание основных белков пшеницы глютенинов, – имеет название Glu, его учёные также искали (и нашли!) в исследуемых образцах. «Мы определили «образец-донор», который в дальнейшем можно будет использовать при скрещивании с другими сортами для повышения хлебопекарных свойств зерна», – уточняет Михаил Дивашук. При этом в образце Щёлково 2 по гену Glu-B1 выделена очень редкая субъединица 7ОУ, которая уникальна своим влиянием на формирование «сильного глютенина».

«А как же устойчивость к болезням?» – спросит дотошный читатель. Есть исследования и по этому блоку «генетических систем». К примеру, ген 1B1R может повышать устойчивость культурных растений к болезням и низким температурам, что обусловлено наличием секалинов (основные белки эндосперма семян) ржи. В этом же ключе учёные изучают явление интрогрессии – «генетического следа» диких предков в современных сортах пшеницы. Его присутствие также повышает устойчивость культурных форм к негативным факторам внешней среды.

«Определение ряда генов, отвечающих за хозяйственно-полезные признаки, даёт нам преимущества при создании нового сорта, – поясняет Михаил Дивашук. – Главное – мы сокращаем объём работ и период селекционного процесса. Как минимум, нам не нужно ждать, пока растение вырастет, чтобы увидеть, какой оно высоты. Не нужно заражать его патогеном, чтобы оценить устойчивость, и так далее. Всё это мы видим по анализу ДНК. Конечно, проводить селекцию без классических полевых испытаний невозможно. Методы геномной и клеточной селекции могут лишь помочь полевым исследованиям, направить и ускорить их. Но результаты нужно «проверять полем». Наши методы позволяют вести более точный отбор, оценивая растение по генотипу, а не по фенотипу (внешним признакам), мы минимизируем работу селекционера «вслепую». В перспективе, отбирая образцы с необходимым сочетанием генов, мы сможем получать экспериментальный материал с искомыми хозяйственно-полезными признаками. Либо на основе базового сорта получать его производную форму под заданные агроклиматические условия или под систему конкретного поля, исходя из ряда факторов. Например, мы можем сохранить все полезные свойства сорта Изумруд Дубовицкого, которые он проявляет в северной полосе, и, убрав ген фоточувствительности, добиться, чтобы и на юге он показал сопоставимые результаты».

Сорта нового экотипа

Прежде чем рассказать о новых подходах к селекции учёных ВНИИСБ, которые сегодня применяются на практике совместно с селекционерами «Щёлково Агрохим», – несколько слов о впечатляющих результатах компании по селекции озимой пшеницы.

За годы работы под руководством Александра Прянишникова в ассортименте «Щёлково Агрохим» появился ряд сортов, в которых закрепились лучшие характеристики культуры. Важный момент: сорта создаются с учётом агроклиматического разнообразия сельхозтерриторий Российской Федерации.

Компания реализует стратегию «вертикального» взаимодействия всех звеньев селекционно-семеноводческого процесса. В основе – ООО НПО «Бетагран семена» и ООО «Дубовицкое», где идут основные работы по созданию и испытанию новых линий. Обязательное условие перед регистрацией сорта – широкие испытания в различных агроклиматических зонах. Это касается всех культур, над которыми работает компания: озимая пшеница, соя, горох, подсолнечник и сахарная свёкла тестируются в хозяйствах Центрального, Поволжского, Южного, Сибирского, Уральского и других федеральных округов. Партнёрами выступают передовые предприятия, на полях которых каждый сорт проходит испытания с различной степенью интенсификации агротехнологий.

«Одна из задач селекционно-семеноводческих программ «Щёлково Агрохим» – совершенствование регионально ориентированных технологий возделывания сельхозкультур и формирование технологического паспорта сорта, – уточняет Александр Прянишников. – Для нас важно вписать в региональное разнообразие сельхозпроизводства сорта и гибриды «Щёлково Агрохим», оценить их отзывчивость на факторы интенсификации, прежде всего на листовые обработки, и увидеть тот потенциал, который можно реализовать в различных условиях. В итоге – предоставить сельхозтоваропроизводителю технологический паспорт сорта».

Обеспеченность российских аграриев отечественными сортами озимой пшеницы в 2023 году, по данным Минсельхоза РФ, приблизилась к 93%. Казалось бы, можно успокоиться. Но дело не столько в количестве, сколько в качестве. Основной вопрос – конкурентоспособность отечественных сортов озимой, по сравнению с зарубежными, по ряду факторов: урожайность, адаптивность, качество зерна. Сегодня каждое предприятие должно иметь выбор отечественных сортов, которые бы показали результат при различных погодных условиях. Поэтому «Щёлково Агрохим» и разрабатывает линейку сортов озимой пшеницы, где есть интенсивные, полуинтенсивные, экстенсивные, а также высокотехнологичные сорта.

Первый, внесённый в Госреестр по трём регионам сорт: Володя. Он высокоинтенсивный, низкорослый и скороспелый. Потенциальная урожайность – 100 ц/га, устойчив к жёлтой, бурой ржавчине и мучнистой росе. Характеризуется стабильностью, повышенной морозо- и засухоустойчивостью. Плюс обладает отличными хлебопекарными качествами.

Ещё более стойкий по ряду факторов сорт – ДФ 2020. Его основные испытания проходили в засушливых условиях Поволжья. В суровых условиях года Башкирии он дал в среднем 68 ц/га. Может возделываться как по интенсивным, так и по экстенсивным технологиям. Устойчив к засухе, низким температурам, полеганию и снежной плесени, высокоадаптивен. Сорт уже внесён в Госреестр Туркмении.

Ещё больший «иммунитет» против засухи имеет Изумруд Дубовицкого. Его испытывали в Оренбуржье и в Туркмении (где он также внесён в Госреестр). В КФХ Владимира Дмитриева в Оренбуржье на 1000 га на нём добились средней урожайности 83 ц/га. Это ультраскороспелый сорт с отличной морозо- и засухоустойчивостью и невосприимчивостью к снежной плесени.

Гордость департамента селекции и семеноводства «Щёлково Агрохим» – сорта озимой пшеницы нового «орловского экотипа», которые селекционеры относят к «высокотехнологичным». Они имеют повышенный потенциал продуктивности и требуют точечных агротехнологических приёмов для достижения высоких показателей. «В настоящий момент формируется кластер сортов, которые могут позволить предприятиям получать 150 и более ц/га. Пример – Ермоловка, которая два года подряд входит в Книгу рекордов России. В производстве мы получили в этом году 122,6 ц/га, в испытаниях – 163-165 ц/га, а в отдельных повторениях – 178 ц/га. Качество зерна при этом остаётся на достаточно высоком уровне. При высокой урожайности содержание белка составило 14,5%», – резюмировал Александр Прянишников. В эту же группу входит ещё один «щёлковский» сорт – Система. В июле 2022 года в хозяйстве Краснодарского края на этом сорте с площади 50 га получили 101,3 ц/га в среднем.

Один из частых вопросов, которые возникают у рядовых аграриев, звучит так: «Каким образом «Щёлково Агрохим» так быстро получило новые сорта?» – «Я стоял на плечах гигантов», – писал в одном из своих писем Исаак Ньютон в XVII веке, имея в виду, что его гениальные открытия базируются на знаниях учёных предыдущих поколений. «Щёлково Агрохим» аккумулировало в своей работе передовые достижения ведущих селекционных школ – краснодарской, немчиновской, поволжской, – говорим мы, что позволило относительно быстро создать сорта с выдающимися характеристиками. Селекционная работа по зерновым велась в сотрудничестве с ФИЦ «Немчиновка», ФНЦ зернобобовых культур, частными селекционными центрами Воронежа (ООО «Павловская Нива») и Самары (ИП КФХ Цирулёва Е. П.). Кроме того, использовались и наработки учёных-генетиков. Так, в создании сорта Изумруд Дубовицкого принимали участие специалисты Института генетики и цитологии СО РАН. Можно сказать, что он был «первой ласточкой», на которой тестировали сочетание классических и геномных методов селекции.

Революция в селекции

Время – невосполнимый, а потому самый ценный ресурс. Особенно остро чувствуют это селекционеры, ведь при классическом подходе на создание сорта той же пшеницы уходит 10-15 лет. Этот срок можно сократить минимум вдвое благодаря особой технологии Speed breeding («скоростное выращивание» – англ.), которую учёные ВНИИСБ реализуют сегодня совместно с селекционерами «Щёлково Агрохим». Speed breeding – разработка учёных института. Её главная особенность – получение большего числа поколений в год благодаря выращиванию образцов растений в специальных климатических камерах. Михаил Дивашук называет эту технологию «революционной в селекции растений». В камерах можно регулировать длину светового дня, интенсивность и качество света, а также поддерживать необходимую температуру, уровень углекислого газа и влажность для стимуляции цветения и получения семян. В поле на выращивание одного поколения культуры в условиях большей части территории РФ уходит год. Для получения линии с устойчивыми наследственными признаками – основы сорта – по классике нужно не менее шести поколений. Климатические камеры значительно сокращают сроки воспроизводства, а вкупе с методами генетического анализа дают селекционерам точные инструменты для получения сортов с необходимыми характеристиками.

«По озимой пшенице мы уже научились получать три поколения в год. Сейчас эксперименты продолжаются: мы варьируем продолжительность и частоту смены светлого и тёмного периода для растений, а также сокращаем генеративную фазу – вырезаем из незрелого семечка зародыш и сажаем его на питательную среду», – рассказывает собеседник.

По его словам, селекционная работа по новым сортам озимой пшеницы под брендом «Щёлково Агрохим» приобретает более осознанный и системный характер, поскольку в своих подходах сочетает методы классической селекции с геномными технологиями. В результате будут получены как совершенно новые сорта, так и сорта-аналоги, где учёные изменят лишь одно-два свойства по заданию селекционеров. «Важно понимать, что мы не занимаемся производством ГМО-организмов. Работу по редактированию генома мы ведём лишь на перспективу, в экспериментальном ключе. Сейчас применение ГМО-культур в нашей стране запрещено. Мы пользуемся только методами генетического анализа», – поясняет Михаил Дивашук.

К примеру, одна из новых гибридных комбинаций озимой пшеницы базируется на двух выдающихся родителях – «выносливом» Изумруде Дубовицкого и «плодовитой» Системе. Гибрид первого поколения F1, благодаря технологиям клеточной селекции, получит форму с устойчивыми наследственными признаками (дигаплоид) и будет размножен для дальнейшего воспроизводства и оценки в полевых условиях. Параллельно учёные будут выращивать гибридные поколения в климатических камерах по технологии Speed breeding. «В каждом поколении мы будем получать образцы и изучать их на предмет присутствия нужных нам сочетаний важных генов, которые в дальнейшем определят признаки сорта. Прошедшие отбор будем размножать дальше. Поскольку оценка и отбор будут вестись по генотипу – более точно, то, скорее всего, уже к 4-5 поколению мы получим растения с устойчивыми наследственными характеристиками, которые затем станут базой для новых линий и отправятся на испытания в поля. При этом период наработки такого материала в климакамере составит всего один год», – уточняет Михаил Дивашук.

Благодаря тесному взаимодействию учёных-генетиков и селекционеров-практиков срок создания новых сортов озимой пшеницы (а также кукурузы, сахарной свёклы, подсолнечника, сои и гороха) можно будет сократить вдвое. Качество сортов будет подтверждаться как классическими методами – данными сортоиспытательных станций, – так и генетическим паспортом сорта.

«В данный момент на базе лаборатории ВНИИСБ мы уже ведём анализ генетического разнообразия 190 сортов сои. По этой культуре также изучаются гены, отвечающие за хозяйственно-полезные признаки. По сое это ранее цветение, растрескиваемость стручков, габитус и так далее. В России мы одна из немногих селекционных компаний, которая в партнёрстве с научным институтом проводит такие масштабные работы не на бумаге, а в реальности», – резюмирует Александр Прянишников.

***

Технологии классической и геномной селекции, а также биотехнологии применяют и в процессе создания гибридов сахарной свёклы в селекционно-семеноводческом центре «СоюзСемСвёкла» (совместный проект «Щёлково Агрохим» и ГК «Русагро»). Здесь также опираются на опыт двух селекционных отечественных школ, переживших эпоху упадка отрасли в девяностые годы и сохранившихся на российском рынке.

«Мы работаем в культуре ткани по микроклонированию, получению удвоенных гаплоидов, созданию полных компонентов нового гибрида. Всё это позволяет нам создавать новое из нашего генетического банка», – уточняет гендиректор центра «СоюзСемСвёкла» Роман Бердников.

Учёные «СоюзСемСвёкла» первыми в России собрали геном сахарной свёклы. «Мы понимаем, какие участки собраны в геноме и в какой последовательности, какие участки за какие признаки отвечают, какое сочетание в геноме должно быть по сахаристости, урожайности, устойчивости к болезням», – разъясняет собеседник.

На сегодняшний день «ССС» создала 27 гибридов, 12 из них доступны в продаже. Объём посевных единиц на сезон-2023-2024 составит 200-250 тыс. Семена гибридов получают в Крыму, используя безвысадочный или штеклинговый способ, всего за год. Только «Русагро» отведёт в 2024 году под семена селекции «ССС» 25 тыс. га. Подробнее о методах селекции сахарной свёклы и результатах испытаний можно почитать в материале «Говорим «свёкла» – подразумеваем «сахар» в октябрьском выпуске журнала Betaren Agro и на сайте betaren.ru.

29.11.2023 0