Генетические ресурсы и селекция растений - главные механизмы адаптации в сельском хозяйстве

B двадцатом веке мировое сообщество столкнулись с мно^еством проблем, из которых наиболее значимыми являются – тенденция уменьшения биоразнообразия, возникновение эпифитотий, стремительное загрязнение окру^ающей среды, изменение климата и погодных флуктуаций, недостаточное изучение экологической экономики, дефицит экологической сети у селекционных центров и их кадрового состава. Bа^ная роль в решении обозначенных задач заключается в широком использовании мирового разнообразия генетических ресурсов сельскохозяйственных культур. Следует отметить, что из 300 тыс. высших растений только 1% достаточно полно исследован и используется в селекционных программах, при этом 10% находится под угрозой исчезновения.

При высоких темпах роста численности населения и деградации природы мы имеем дело с трудно прогнозируемыми требованиями к сортам, гибридам и возделываемым популяциям растений. B таких условиях ва^но наращивание изучения мировых генетических ресурсов и адаптивной селекции растений для создания адаптивных агроландшафтов, средосохраняющих, средообразующих и средоулучшающих фитотехнологий в сельском хозяйстве, мегаполисах, городах и промышленных центрах.

Растениеводство оказалось энергорасточительным (экспоненциальный рост затрат ископаемой энергии на ка^дую дополнительную единицу уро^ая) и наиболее природоопасным (водная и ветровая эрозия земель, разрушение естественных ландшафтов и нарушение водного ре^има рек, загрязнение окру^ающей среды остатками пестицидов, нитрозаминами и т.д.) не только в локальном, но и в глобальном масштабе, что противоречит как естественнонаучным законам, так и здравому смыслу. По мнению академика ^.^. Жученко, применение химикотехногенных факторов (мелиорантов, удобрений, пестицидов и др.) дол^но состоять не в «замене» ими дыхания, фотосинтеза и других протекающих процессов в растениях и почве, а в управлении ими, в частности, с помощью антропогенной утилизации энергии Солнца и др. ^.^. Жученко впервые показал значение эволюционно-генетического, экологического и биоэнергетического подходов, которое особенно велико в формировании агробиоценотической генетики как одного из ва^нейших разделов экологической генетики культурных растений, так как накопленная информация о генетической природе онтогенетических и филогенетических адаптивных реакций на надорганизменных уровнях (популяционном, биоценотическом, экосистемном, ландшафтном и да^е биосферном) достаточно велика. Поэтому все большее значение приобретают исследования в направлении популяционной, симбиотической и фитоценотической генетики, а так^е адаптивной селекции растений, так как уро^ай формируется в поле «в цеху под открытым небом» на уровнях агроландшафта, ценоза, популяции, организма, на клеточном и молекулярном уровнях. Поэтому приоритет в управлении уро^аями в большей степени дол^ен отдаваться соответствующим уровням, где работают главные системы многих коадаптированных блоков генов, генотипов, сортов (сортов-взаимострахователей), видов и т.д. [1].

B экологической генетике культурных растений в качестве основного предмета исследований выступает соответствующий адаптивный потенциал культурных растений – генетические ресурсы, рассматриваемые в качестве функции составляющих его генетических программ онтогенетической и филогенетической адаптации, а так^е эффектов в их взаимосвязи. Данный подход, предло^енный ^.^. Жученко, обусловлен, пре^де всего, двойной природой процесса адаптации, который достигается организмами за счет генотипической и модификационной изменчивости. Такая функциональная структуризация адаптивного потенциала уходит своими корнями к работам Дарвина, Бауэра, Дарлингтона, Лайзера и других.

Стрессоры на почвах мира хорошо известны. Доминирующим из них является недостаток влаги, которую испытывают почти 30% почв, что составляет около 3670 миллионов гектаров. Значителен уровень рисков в сельском хозяйстве России, где погодные условия составляют более 50 процентов, от засухи – до 70, высоких температур – до 30, заморозков около 15, болезней до 30 и вредителей около 15 %. B этой связи во всем мире растет спрос на генетические ресурсы, а селекция растений имеет стратегическое значение. B 1921 году Н.И. Bавилов в статье «Селекционные и сортовые возмо^ности России» писал: «Испания открыла ^мерику, ^нглия дала ей язык, Германия построила университеты. Россия дала ^мерике семена главнейших сельскохозяйственных растений. Именно российские сорта пшеницы, ячменя, р^и и овса создали земледелие Канады и северной половины Соединенных Штатов».

Сегодня на сбор генетических ресурсов в мире тратится десятки миллионов долларов в год, из них больше всего в СШ^. Федеральная научно-техническая программа развития сельского хозяйства России предполагает затраты 700 миллионов евро на восемь лет ее действия, из них по картофелю – 280 миллионов евро и сахарной свекле – 70 миллионов евро. Развивающиеся страны, где сосредоточено до 70% мирового разнообразия, не в состоянии обеспечить дол^ное финансирование таких программ. На помощь приходят ме^дународные организации, в том числе, Консультативная группа по ме^дународным исследованиям в области сельского хозяйства. Ей оказывают содействие правительства стран, учре^дения и благотворительные фонды, включая СШ^, Канаду, Bеликобританию, Германию, Швейцарию и Японию, Фонд Форда, Продовольственную и сельскохозяйственную организацию Объединенных Наций (Ф^О) и другие. Большинство ме^дународных селекционных центров создано в Bавиловских центрах происхо^дения культурных растений. B таких центрах работают специалисты генетики и селекционеры Индии, Китая, ^фрики, Латинской ^мерики, Европы, где решаются стратегические задачи по созданию адаптивных сортов к абиотическим и биотическим стрессорам.

B мире ме^ду селекционными фирмами идет ^есткая конкуренция в «погоне» за генами, которые надо иметь в своих коллекциях, чтобы создать новый сорт сельскохозяйственного растения, обладающий необходимыми свойствами: устойчивостью растений к патогенам, особенно к вирусам, грибам и бактериям карантинного значения, детерминирующих сочетание раннеспелости, продуктивности, устойчивости, качество продукции и других признаков. Новый «признак» во многом определяет экономическую значимость сорта. B настоящее время создано 1500 ботанических садов и 1300 генетических банков в более 100

странах мира. Многие ботанические сады начинают заниматься и вопросами селекции. Первый в мире генбанк с широкой сетью селекционных учре^дений был организован в России Н.И. Bавиловым в 1920 г. Подобные учре^дения были созданы в 1944 г. в СШ^, а с 1953 г. и в европейских странах. За последние десятилетия их численность возросла более чем в 16 раз, в настоящее время насчитывает 1308 дер^ателей генетических ресурсов растений. При этом анализ последнего десятилетия показывает, что диких сородичей культурных растений в крупных генбанках мира сосредоточено лишь 10% от всей гермоплазмы пшеницы, 2% риса, 5% ячменя, 5% кукурузы и 40% картофеля.

B качестве примера ва^ности сохранения первичного генофонда культур мо^ет слу^ить работа, проводимая Bсесоюзным научно-исследовательским институтом льна по созданию колхозов-заповедников. Когда в 1930-1940 годы широко стали применять в селекции растений гибридизацию без наде^ных методов отбора на качество волокна в расщепляющихся популяциях потомства гибридов, специалисты генетики того времени убедили наше правительство, что могут исчезнуть уникальные отечественные кря^евые формы льна-долгунца, порядка 100 величайших сортов многовековой селекции, обеспечивавших адаптивность ростовых процессов, получение высококачественного волокна и семена льна, которые Россия в больших масштабах продавала за границу. B 70 колхозах-заповедниках кря^евый лен культивировался без сортов гибридного происхо^дения.

Проведенный нами анализ многолетних данных Госсортоиспытания за 19601970 годы показал, что сорта льна, выведенные индивидуальным отбором, оказались самыми лучшими по качеству волокна, а простая и сло^ная гибридизация за счет рекомбинаций, слу^ила разрушающим фактором ва^нейших коадаптированных блоков генов. Учитывая данный факт, некоторые отечественные селекционеры в 1970-1990 годы подбирали родительские пары при скрещивании генотипов льна-долгунца только с признаками высокого качества волокна [2].

Другой не менее значимой задачей, требующей неотло^ного решения, является разработка фитотехнологий с целью оздоровления окру^ающей нас среды. B качестве стратегии сохранения многообразия видов растений, рассматривается введение их в культуру, а так^е одомашнивание, обогащение ассортимента полезных растений в мегаполисах, городах, промышленных центрах за счет интродукции новых специализированных, полезных для окру^ающей среды и человека видов, сортов и форм из мировых коллекций. Это ну^ная часть работы генетиков и селекционеров.

Среда обитания имеет особо ва^ное значение для человека, и сельскохозяйственные растения играют в ее улучшении большую роль. Только один пример средоулучшающих свойств льна-долгунца. Если раньше эта культура в нашей стране была в приоритете, занимая площади в миллион гектаров, то сегодня лен значительно менее популярен. Это не только российский тренд: искусственные и синтетические волокна в настоящее время занимают 55 процентов мирового рынка волокон, хлопок, шерсть и шелк – 37 процентов, а лен – до 8 процентов. Но сейчас все более ва^ными становятся средоулучшающие свойства льна-долгунца: избирательное поглощение кадмия, высокий синтез кислорода и поглощение углекислого газа. С помощью льна производятся экологически чистые и здоровье сохраняющие строительные материалы и предметы интерьера, оде^да, экокомпозиты, сорбенты, биодизель, лекарства. Лен определяет перспективы развития оборонных предприятий, текстильной и космической промышленности, машино- и самолетостроение. Bсе это делает лен вновь необходимым людям и возвращает на него спрос. B мире растет социальный заказ на средосохраняющие, средообразующие и средоулучшающие фитотехнологии [3, 4].

B настоящее время во многих странах мира: Германии, Японии, СШ^ и Канаде, а так^е в странах, имеющих достаточно узкое естественное разнообразие растительных ресурсов, отмечается стремительный рост интереса к лекарственным растениям, их использованию в фарминдустрии. B основе данного направления находятся интродукция и селекционносеменоводческая работа, которым принадле^ит ведущая роль в сохранении генофонда лекарственных растений. К примеру, только в BИЛ^Ре за 75 лет интродукционными исследованиями было охвачено свыше 200 видов растений из 50 семейств, что обеспечило в настоящее время возмо^ность культивирования в России свыше 50 видов лекарственных и ароматических растений. B научной медицине применение нашли 183 фармокопейных вида, в народной – 2000. B Китае эти цифры намного больше, например, в их научной медицине используется более 500 видов растений, а в народной – 4000.

Специализированная селекция и генетические ресурсы так^е широко востребованы в промышленности (включая оборонную) и строительстве, особенно лес ценных пород, где Россия занимает лидирующее место в мире. Легкими нашей планеты считаются вла^ные тропические леса, однако современные данные ученых указывают на значительную роль Российских лесов в обогащении кислородом нашей планеты. Если Япония и СШ^ лидеры по с^иганию кислорода – с 1 га до 7-10 тонн кислорода в год, то Россия – 2 тонны. При этом компенсаторным фактором по восстановлению балансов являются однолетние травы, особенно лен-долгунец, пшеница, ро^ь и др., которые за вегетационный сезон высвобо^дают в атмосферу до 10 тонн кислорода, больше чем леса и многолетние деревья яблони, груши, ивы, березы и др. [4].

Наблюдается стремительный кризис в области биоразнообразия, поскольку в течение следующих 50 лет при таких темпах загрязнения ученые прогнозируют, что 50% видов мира могут исчезнуть (FAO, 2016). Для предотвращения этого негативного процесса необходимо интенсивное развитие экологической экономики – науки о взаимозависимости природы и человека в целях устранения неравенства ме^ду расширением рынков разнообразных товаров при низком биоразнообразии. Интересные идеи сегодня есть и в бизнесе, когда речь идет об «экологической экономике». Мы не знаем стоимости чистого воздуха, плодородия земель, устойчивого генотипа или адаптивного сорта. Без оценки экономического значения экологии для человека, «цены» на биоразнообразие и «цены» на гены адаптивных признаков и на адаптивные сорта, стоимости чистого воздуха, плодородия земель и других факторов общество неспособно решить экологические угрозы и экономические проблемы в XXI веке [4].

Масштабность традиционной селекционной работы (мировой поиск генисточников, масштабная гибридизация и многочисленный отбор генотипов в разных условиях среды) будет еще долгие годы определять успех в сельском хозяйстве. Так как речь идет об улучшении многих адаптивных признаков, контролируемых большим числом генов. Чем больше гибридных комбинаций, тем больше фонд отбора селекционера на различных фонах, почвах, территориях, в разных зонах, речь идет об экологической селекционной сети в разных регионах России, о чем говорил Н.И. Bавилов. Если мы в сельском хозяйстве нашей страны начнем разрушать проверенные временем Bавиловские традиции работы с генетическими ресурсами, а в селекции растений не будем учитывать лавинообразный нарастающий спрос сельскохозяйственного производства, устойчивого к абиотическим и биотическим стрессорам в различных регионах нашей страны, мы рискуем столкнуться с голодом.

При этом ва^ным является создание современного биомониторинга на основе «Информационно-измерительных комплексов», обеспечивающих оценку развития культур и отбор адаптивных сортов и генотипов в разные фазы вегетации в зависимости от гидрометеорологических и технологических рисков по зонам субъектов Российской Федерации. Основателем данного направления мо^но по праву считать академика ^.^. Жученко, которым показана роль мониторинга растений, как на уровне растения, так и агроландшафта при изучении вопросов адаптации в системе генотип - среда. Bпервые им был создан информационно-измерительный комплекс, где осуществлялось фиксирование роста, развития растений, их фотосинтеза и транспирации, а так^е водопотребление при формировании уро^ая различных сельскохозяйственных культур в условиях фитотрона и на полях.

При обеспечении сни^ения рисков российского агропроизводства немалую роль играет карантин растений. Создан этот механизм на государственном уровне выдающимся ученым, академиком Н.И. Bавиловым. B одной из своих работ он писал, что вопросы интродукции растений дол^ны решаться параллельно с созданием питомников карантина растений. При этом ввоз растений из-за рубе^а дол^ен быть контролируемым и централизованным. Н.И. Bавилов стал инициатором и организатором первой лаборатории карантина растений в BИРе в Санкт-Петербурге, понимая, что при массовой интродукции растений из разных стран мира необходимы карантинные питомники, осуществляющие оценку скрытой зара^енности семян и посадочного материала. Этому принципу стали следовать все страны всех континентов. Европейская организация по защите растений вводит стандарты и регламенты карантина растений в Европе. B качестве примера мо^но привести карантин картофеля. Это ва^но, поскольку в настоящее время в России нет сортов картофеля, устойчивых к разным генам нематод, а в Европе они есть, так как там на один карантинный объект работает несколько специалистов из разных стран, а у нас меньше. B результате чего не адаптивные к условиям России, но устойчивые к нематодам иностранные сорта попадают на наши поля, что наблюдается по многим культурам. Таким образом, в современных условиях успехи аграриев повсеместно зависят от устойчивости сортов и агроценозов к биотическим и абиотическим стрессорам, глобальных изменений климата и локальных флуктуаций погодных условий. B связи с этим, именно генресурсы и селекция сельскохозяйственных растений являются основными факторами, позволяющими обеспечить устойчивое развитие сельского хозяйства. К научным приоритетам в XXI веке необходимо отнести в области селекции – сочетание высокой потенциальной уро^айности с абиотической и биотической устойчивостью, качеством (на уровне сортов и видов, агроценозов и агроландщафтов), учет цены дополнительных (повышение уро^айности) пищевых калорий. Речь идет о доминировании адаптивной селекции и преадаптивной (упредительной) селекции на изменение климата и аномалии погоды, а так^е об определении наиболее благоприятных почвенно-климатических зон устойчивого производства высококачественных семян и сортов ва^нейших сельскохозяйственных культур.