Доклад "Селекция растений"

Введение

Селекцией растений называют науку о выведении новых и улучшении существующих ценных сортов растений.

Важнейшее требование, которому должны соответствовать перспективные сорта, – адаптивность, то есть способность противостоять действию факторов среды, снижающих продуктивность и урожай. Проблема адаптации в системе «растение-среда» и использование механизмов саморегуляции продуктивного и средообразующего процессов занимает центральное место в эволюционной теории и селекции.

Создание сортов и гибридов с высокой адаптивностью предполагает использование специальных методов селекции в зависимости от существующих факторов среды, в том числе абиотических и фазы онтогенеза растений.

К настоящему времени уже достигнуты определенные успехи в селекции новых высокопродуктивных сортов и подвоев плодовых культур. Однако не весь существующий сортимент в полной мере отвечает современным требованиям. В частности, многие сорта и подвои не обладают необходимой морозо-, засухо-, жароустойчивостью и т.д [6].

Актуальность выбранной темы связана с колоссальными потерями урожая от действия абиотических стрессов. Именно поэтому, при решении задачи получения стабильных и достаточно высоких урожаев, устойчивых к неблагоприятным факторам среды, должно занимать центральное место в области селекции.

Целью работы является определение направлений селекции растений на устойчивость к абиотическим факторам среды и достижений данной сферы деятельности на современном этапе.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

- рассмотреть особенность селекции растений на устойчивость к абиотическим факторам среды;

- определить наиболее перспективные направления селекции растений, устойчивых к факторам неорганической природы;

- проанализировать основные успехи и достижения в данной области.

ОСОБЕННОСТИ СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К АБИОТИЧЕСКИМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ

Повышение устойчивости сортов к неблагоприятным факторам внешней среды – непременное условие биологизации интенсификационных процессов в растениеводстве. В предстоящий период повышение устойчивости сортов к стрессовым ситуациям, обусловленным абиотическими факторами, будет относиться к приоритетным направлениям селекции.

В связи с прогнозом специалистов о происходящей аридизации климата до предела сжимаются сроки разработки новейших методов и создания на их основе сортов, комплексно устойчивых к засухе, экстремальным температурам, кислотности, засолению и другим стрессовым факторам среды.

Отрицательные последствия потепления климата для сельскохозяйственного производства могут быть связаны с уменьшением количества осадков в Южной и Центральной зонах. Следует ожидать увеличения количества экстремальных аномалий. Климат станет более непредсказуемым, что затруднит адаптацию к нему.

В связи с этим перспективно введение в культуру новых видов масличных, зерновых, зернобобовых, луковичных, корнеплодов и клубнеплодов, многие из которых устойчивы к абиотическим стрессам.

По этой же причине ожидается увеличение масштабов селекционной работы с такими культурами, как рожь, овёс, сорго, просо, нут, рапс, гречиха, однолетние и многолетние злаковые и бобовые травы и новые виды засухоустойчивых зернокормовых просовидных культур.

Селекция на устойчивость к неблагоприятным факторам среды предполагает наличие соответствующего исходного материала, использование различных искусственно созданных фонов для изучения исходного и селекционного материала, широкое его экологическое испытание и комплексную оценку селекционного материала, начиная с ранних этапов селекции. От успехов в повышении устойчивости сортов к неблагоприятным факторам среды в первую очередь зависит рост величины и качества урожая в неблагоприятных, а, тем более, экстремальных условиях. А это, в свою очередь, предопределяет все большее внимание к использованию для выведения таких сортов методов межвидовой гибридизации и индуцированного рекомбиногенеза.

Направленность селекции определяют количественные характеристики и проявление во времени и пространстве абиотических и биотических факторов. Из данных таблицы 1 видна естественная связь направлений селекции с абиотическими факторами.

Таблица 1 – Взаимосвязь направлений селекции с абиотическими факторами

При создании сортов не учитывают отношение сорта к длине светового дня и физиологические основы повышения семенной продуктивности.

Высокую потенциальную урожайность сортов и гибридов не удаётся реализовать из-за систематических засух, суховеев, морозов, заморозков и других экстремальных факторов. Это и предопределяет задачи селекции на сочетание высокой потенциальной урожайности с устойчивостью к абиотическим стрессам.

Сорта, сочетающие высокую потенциальную продуктивность с устойчивостью к стрессам, способны обеспечить рост величины и качества урожая и снижение затрат невосполнимых ресурсов.

Задача селекции на сочетание высокой потенциальной урожайности с устойчивостью к абиотическим стрессам предопределяет невозможность реализации высокой потенциальной урожайности сортов из-за экстремальных факторов внешней среды, поскольку приёмы, усиливающие рост растений, одновременно способствуют уменьшению их устойчивости к экологическим стрессам.

Обычно более урожайные сорта весьма чувствительны к абиотическим стрессам, а высокая стрессоустойчивость сорта обычно сочетается с низкой их продуктивностью. Для нерегулируемых в полевых условиях факторов внешней среды (температура, освещенность, влагообеспеченность) должны быть сорта с низким уровнем отзывчивости на изменение указанных параметров для обеспечения максимальной равномерности проявления хозяйственно-ценных признаков. Если же факторы внешней среды оказываются регулируемыми, например, влагообеспеченность в условиях орошения, температура при выращивании растений в теплицах и др., то желательно, чтобы уровень отзывчивости сортов на них был как можно выше.

Ретроспективный анализ изменения экологической ситуации за последние три десятилетия свидетельствует об изменении негативного влияния комплекса стрессовых факторов на растения и об усилении дефицита иммунитета у последних. Чем продолжительнее действие экологического стресса, тем больше времени требуется растениям для восстановления нормального протекания метаболических, в том числе и ростовых процессов. Причём в условиях ограниченного вегетационного периода подобные ситуации приводят к резкому снижению урожайности. С другой стороны, механизмы повышения толерантности растений нередко связаны с замедлением роста и даже его полной остановкой.

Болдырев М.И. и др. считают холодовой и кислородный факторы главными или первичными стрессорами. Все другие негативные абиотические факторы отнесены ко вторичным стрессорам. Функционирование механизмов устойчивости к абиотическим стрессам обеспечивается в большей степени за счёт наличия необходимых физиологически активных веществ (антиоксидантов) или способности синтезировать их в необходимых количествах в нужный момент [5, c. 67-69].

Важно отметить, что экологические стрессы приводят к замедлению и даже прекращению ростовых процессов. Генеративные органы растений в наименьшей степени защищены от действия экологических стрессов. Поэтому в селекционно-агротехнических программах повышению устойчивости сорта к неблагоприятному действию факторов внешней среды в критические этапы онтогенеза должно быть уделено первостепенное внимание.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ, УСТОЙЧИВЫХ К ФАКТОРАМ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

В настоящее время в селекции используют комплекс методов, основанных на последних достижениях генетики, цитологии, ботаники, микробиологии, биотехнологии, информационных технологий и т.д.

Современные методы селекции позволяют манипулировать одновременно десятками признаков, включая полигенные, тогда как возможности трансгеноза ограничиваются единичными генами [2]. 

Наиболее перспективные методы селекции, используемые для получения сортов стойких к неблагоприятным факторам внешней среды представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Наиболее перспективные методы селекции, используемые для получения сортов стойких к абиотическим факторам среды

Гибридизация – один из ведущих методов создания нового селекционного материала, так как даёт возможность сочетать в получаемых гибридах наиболее ценные качества скрещиваемых растений и на их основе получать новые формы. Она способствует объединению в гибридах заданных признаков и свойств родительских форм, расширяет изменчивость, увеличивает гетерозиготность и пластичность полученного материала. Гибридизация также является основной выявления общей комбинационной способности исходных сортов, используется в сочетании с другими методами селекции. Применением гибридизации можно достичь повышения устойчивости растений против различных заболеваний, зимостойкости и засухоустойчивости, а также увеличение жизнестойкости и долговечности растений – повышение мощности и быстроты роста.

Полиплоидия – перспективный метод селекции, применяемый для создания новых сортов сельскохозяйственных культур. Сущность этого метода заключается в увеличении числа хромосом, кратном гаплоидному набору, что вызывает широкую изменчивость многих признаков, в том числе повышение продуктивности и приспособленности за счёт расширения генетической основы. Наиболее подходящим материалом для полиплоидии являются перекрёстноопыляемые растения с низким основным числом хромосом, у которых в хозяйственных целях используются вегетативные части растений.

Наиболее устойчивыми к абиотическим факторам тетраплоидные сорта, так как они имеют высокое качество корма, зимостойки, приспособлены к различным почвенно-климатическим условиям. Однако, у данного метода есть существенный недостаток – многие полиплоидные сорта через несколько лет способны возвращаться к исходному диплоидному уровню.

Искусственный мутагенез всё больше используется в селекции сельскохозяйственных растений. Мутанты имеют высокую селекционную ценность, так как они обладают новыми, ранее не известными признаками, в том числе высокой устойчивость к факторам неорганической природы. На основе естественных мутаций были созданы многие сорта сельскохозяйственных культур. Однако естественный мутационный процесс протекает в природе крайне медленно, кроме того, вероятность, что мутации окажутся полезными и применимыми в селекционной работе, крайне мала.

Экологическая селекция является основой для создания новых сортов, сочетающих высокую потенциальную продуктивность с устойчивостью к абиотическим и биотическим стрессам. Экологизация селекции растений является объективной потребностью селекционной теории и практики в связи с направленностью основных приоритетов сельскохозяйственного производства на высокую продуктивность и устойчивость агроценозов, ресурсо- и энергоэффективность высокое и экологически безопасное качество продукции [3, c.29-33].

Известно, что новые сорта наряду с наличием хозяйственно ценных признаков должны обладать высокой экологической пластичностью и приспособленностью к почвенно-климатическим условиям района их возделывания, в том числе к погодной изменчивости, характерной для последних лет. Ведущая роль в придании сорту экологической устойчивости принадлежит использованию генетического полиморфизма популяций, выявляемому методами экологической селекции. Определить адаптивность и приспособленность к изменчивым погодным условиям нового сорта или исходного материала позволяет их оценка в различных, в том числе контрастных, почвенно-климатических условиях, что позволяет селекционеру экономить многие годы работы. Особенностью экологической селекции является то, что она осуществляется одновременно в различных почвенноклиматических зонах. Это позволяет выявить индивидуальную реакцию отдельных генотипов и сортов на действие стрессовых факторов среды и отобрать лучшие номера, сочетающие высокую продуктивность и средоустойчивость.

В ряду важнейших направлений селекции – создание сортов, способных противостоять засухе, с низким коэффициентом транспирации, быстро развивающих листовую поверхность и хорошо затеняющих почву. Для создания сортов данного типа необходимо расширение исследований в области молекулярной биологии, физиологии, биохимии и других направлений, обеспечивающих формирование засухоустойчивости культуры, сорта, растения. Наряду с этим следует знать морфологические особенности, обеспечивающие засухоустойчивость и позволяющие проводить эффективный скрининг засухоустойчивых генотипов.

Успехи и достижения на современном этапе

При создании новых форм растений, устойчивых к абиотическим стрессам используется все разнообразие методов селекции. Однако основная роль в селекции культурных растений принадлежит мутациям, спонтанной и искусственной гибридизации между разными видами и полиплоидии.

Наиболее значительны результаты использования метода полиплоидии в селекции сахарной свеклы. Вначале были экспериментально созданы тетраплоидные формы. Они отличались от исходных диплоидов более мощными широкими листьями, несколько большим размером корнеплодов, однако отличались устойчивостью к абиотическим стрессам.

Успешно идет применение полиплоидов в селекции трав. Широкое распространение в производстве получили тетраплоидные сорта клевера в Швеции, Дании, Венгрии, Чехословакии, Польше, Финляндии. Шведские тетраплоидные сорта Улва и Pea превосходят по урожаю зеленой и сухой массы лучшие диплоидные сорта в первый год укоса на 10%, во второй - на 30-50%. Тетраплоиды отличаются высокой кормовой ценностью, хорошей зимостойкостью [7].

Из зерновых культур лучшие результаты получены у озимой тетраплоидной ржи. После многократных отборов удалось существенно повысить плодовитость ржи и довести ее до 80% против 90 у диплоидов. Урожайность тетраплоидов на 30% и больше превышает урожайность диплоидных сортов. Тетраплоидные зерна гораздо лучше прорастают, образовавшиеся из них растения имеют хорошую продуктивную кустистость и высокую зимостойкость.

Что касается гибридизации, то здесь можно выделить успехи в создании сортовых смесей, которые используют при выращивании пшеницы, риса, хлопчатника и других самоопыляющихся культур. Все более широкое применение находят и смеси разных видов растений: кормовых с зерновыми, яровой пшеницы с овсом, овса с ячменем, пшеницы с овсом и ячменем, смеси злаковых и бобовых культур и др., обеспечивающие в неблагоприятных условиях внешней среды большую стабильность урожайности. Видовые и сортовые смеси наиболее целесообразны в тех случаях, когда фенотипическая выравненность посева не лимитирует товарность урожая (например, при выращивании кормовых культур). И все же при подборе компонентов смеси каждый из них должен как бы дополнять друг друга по способности использовать благоприятные факторы внешней среды (свет, воду, элементы питания) и противостоять действию абиотических и биотических стрессоров.

Наиболее явным успехом экологической селекции является создание высокоурожайных, нечувствительных к длине дня, с широким спектром экологической адаптации к условиям внешней среды новых сортов пшеницы [2].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость устойчивого развития растениеводства и сельского хозяйства, предопределяет необходимость изменения целей селекции, расширение спектра селекционных задач, разработки эколого-эволюционных подходов и адаптивных методов селекции, ориентированных на создание системы географически и экологически дифференцированных сортов, более полно утилизирующих наличные материально-энергетические ресурсы среды каждой зоны.

В ближайшем будущем прогресс в сельском хозяйстве определит совершенствование адаптации агросистем и агроландшафтов к варьирующим во времени и пространстве факторам внешней среды. Для этих направлений селекции характерна агроэкологическая адресность, связанная с большей приспособленностью новых сортов и гибридов к местным условиям, а также наукоемким технологиям возделывания. Их главная отличительная особенность – сочетание высокой потенциальной продуктивности (величины и качества урожая) с устойчивостью к наиболее распространенным в регионе абиотическим стрессорам, а также доминирование генотипа над нерегулируемыми факторами внешней среды [4].

В работе выделены основные направления адаптационной селекции, отражены успехи и достижения данной области. Однако, на сегодняшний день, в сфере получения сортов с высокой устойчивостью к абиотическим факторам среды, наблюдается тенденция в использовании комплексного сочетания наиболее перспективных методов селекции.

В заключение следует сказать, что с учетом сложности и комплексности ответа растений на абиотический стресс, а также для достоверного повышения устойчивости к абиотическому стрессу в полевых условиях необходим мультидисциплинарный подход, включающий генетику, биохимию, физиологию, селекцию растений, а также растениеводство.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аношенко, Б. Ю. Учёт влияния средовых факторов на фенотипическое проявление признака / Б. Ю. Аношенко // Тез. докл. VI съезда БелОГИС.-Горки, 1992. – С.22.

2. Баталова, Г.А. Состояние и перспективные направления селекции в современных условиях [Электронный ресурс] / https://cyberleninka.ru/article/n/sozdanie-i-perspektivnye-napravleniya-selektsii-v-sovremennyh-usloviyah / (Дата обращения: 11.12.2020).

3. Бекузарова, С.А. Методы селекции кормовых культур / Бекузарова С.А., Бораева З.Б., Гасиев В.И., Лущенко Г.В. – Владикавказ, 2015. – 43 с.

4. Болдырев, М.И. Действие стрессовых факторов на растения / М.И. Болдырев, Н.Я. Коширская // Защита растений и карантин. – 2008. - №4. -С.14-15.

5. Корзун, О.С. Адаптивные особенности селекции и семеноводства сельскохозяйственных растений: пособие / О.С. Корзун, А.С. Бруйло. − Гродно: ГГАУ, 2011. − 140 с.

6. Рыбась, И.А. Повышение адаптивности в селекции зерновых культур // Сельскохозяйственная биология, 2016. – № 5. С. 617.

7. Практические достижения экспериментальной полиплоидии [Электронный ресурс] / http://populargenetic.ru/poliploidiya/prakticheskie-dostizheniya / (Дата обращения: 11.12.2020).