Использование диких видов для усовершенствования культурных растений: обзор достижений за последние 20 лет (euphytica, 2007, № 156: pp 1-13)

Д икорастущие сородичи культурных растений – это ценный источник для расширения генетического разнообразия культурных растений. Впервые дикие виды были использованы для улучшения сортов сахарного тростника еще в первой половине XX столетия, а в 40-х и 50-х годах – для улучшения некоторых зерновых культур. На примере экономики и сельского хозяйства Северной Америки исследователи Prescott-Allen С. и Prescott-Allen R (1986, 1988) показали всю важность дикорастущих видов. Они вычислили, что прибыль от выращенных в США или импортированных зерновых культур, чьи урожайность и качество были улучшены за счет дикорастущих сородичей, уве-личиласьболее чем на340 миллионовдолла-ров в год.

Существенный прогресс был достигнут за последние 20 лет, как в молекулярных технологиях, так и в процессах гибридизации, особенно отдаленной, которая становится все более доступной для селекционеров при создании новых сортов. Tanksley и McCouch (1997) указывали на потенциальную роль картирования генома для эффективного использования генетического разнообразия диких видов, а также предположили, что продолжающийся отбор дикой генплазмы приведет к открытию новых генов и их использованию. Данная статья представляет собой обзор данных за последние 20 лет по результатам введения генов от дикорастущих видов в те сорта культурных растений, которые составляют основу глобальной продовольственной безопасности.

Методы

Выбор культурных растений (растительный материал)

Вданное исследованиебыли включены 16 культурных видов, предписанных CGIAR (Consultative Group on International Agricultural Research, CGIAR, как наиболее глобально занчимые. Это рис, пшеница, кукуруза, ячмень, сорго обыкновенное, просо, маниока, картофель, нут, вигна, чечевица, соя, бобы, голубиный горох (кайанус), банан и арахис. Также в исследование были дополнительно включены 3 вида, не предписанные CGIAR, а именно: томат, подсолнечник и салат, чьи сорта были значительно улучшены в последнее время за счет их дикорастущих сородичей.

Определение понятий «усовершенствование» и «уровень распространенности».

Понятия «усовершенствование» и «уровень распространенности» культурных растений имеют достаточно большой диапазон и включают несколько ступеней, начиная от простого описания диких видов, следуя через различные стадии идентификации и использования диких генов, заканчивая созданием новых сортов с улучшенными характеристиками. В данной статье авторы фокусируются на конечной стадии–создании новых сортов. Этот определяющий тест на практическую пригодность был также принят за основу Prescott-Allen С. и Prescott-Allen R. (1986, 1988).

Источники информации

Источником информации служили опубликованные статьи с использованием базы данных CAB, а также специализированные научныежурналы,такие, например, как «Crop Science», которые публикуют информацию о происхождении и родословной различных видов и сортов. Информация о количестве диких видов культурных растений, наиболее часто используемых в селекционных программах, о генах и их характеристиках, которые были перенесены в культурные расте-ния,атакжео количествесозданных на их базе сортов была получена из генбанков. Были отмечены трудности в получении информации от селекционеров из частного сектора. Таким образом, собранная информация отражает степеньдоступности опубликованной литературы и неформального согласованного мнения нескольких селекционеров, и поэтому может быть неполной.

Результаты

В этом разделе представлена информация о широком разнообразии диких видов, которые были когда-либо использованы в селекции культурных растений. Достижения в улучшении культурных растений сгруппированы в соответствии с их основными функциями:

• –    устойчивость к вредителям и болезням; – устойчивость к абиотическим факторам; – цитоплазматическая мужская стерильность и восстановление фертильности при получении гибридов;

• –    улучшение качественных характеристик сортов и гибридов;

• –    повышение урожайности.

Почтидля всех 19 видов культурных растений, представленных в данном обзоре, были найдены примеры использования их диких сородичей для получения новых сортов. Исключение составили соя, голубиный горох, сорго,чечевица, бобы и вигна.Для остальных 13 видов было идентифицировано более 60 их диких разновидностей (с более чем 100 полезных признаков) (табл.1). Дикие виды растений, как и прежде, чаще всего используются, в качестве источника устойчивости к болезням и вредителям, хотя уже существуют примеры использования генов диких сородичей для получения новых сортов с такими характеристиками, как засухо- и солеус-тойчивость, ЦМС и др.

Устойчивость к вредителям и болезням

Уже около ста лет селекционеры используют дикорастущие виды для устойчивости к болезням. В настоящее время продолжается поиск расширенных генных пулов, которые отвечают за устойчивость к биотическим факторам (Brar и Kush, 1997; Rick и Chetelat, 1995). Почти все из взятых в данное исследование видов культурных растений, за исключением ячменя и нута, имеют сорта, обладающие устойчивостью к болезням, которая обусловливается генами, переданными имот диких сородичей. Однако, только кукуруза, банан и арахисобладаютустойчивостью кза- болеваниям как единственным полезным признаком, происходящим от дикарей.

До середины 1980 годов случаи успешного использования генома дикорастущих видов растений с целью предотвращения потерь урожая от вредителей и болезней были единичными. Наиболее значимыми среди них были: Oryza nivara S.D.Sharma & Shastry, обеспечившая устойчивость к вирусу травянистой карликовости у риса; Solanum demissum Lindl., обеспечившая устойчивость к вирусу картофельной гнили; устойчивость томатов к различным заболеваниям, переданная в основном от Lycopersicon pimpinellifoli-um Mill; а также устойчивость пшеницы к стеблевой и листовой ржавчине, переданная соответственно от Agropyron elongatum Host ex. P.Beauv и Aegilops umbellulata Zhuck (Prescott-Allen С. и Prescott-Allen R. 1986).

С тех пор открытие и использование новых генов устойчивости, происходящих от диких видов, с каждым годом все увеличиваются. Примерно раз в год публикуются сообщения об обнаружении нового вида устойчивости к различнымбиотическим иабиотичес-ким факторам у диких видов томата (Rick и Chetelat, 1995). На сегодняшний день, все гены устойчивости у коммерческих сортов томата берут свое происхождение от их дикорастущих родственных видов. Свыше 40 генов устойчивости происходят от Lycopersicon peruvianum (L.) Mill., L. cheesmanii Riley, L. pen-nellii (Correll) D'Arcy и несколькихдругих диких видов (Rick и Chetelat 1995).

Гены дикого риса O. nivara , до сих пор обеспечивают современные сорта риса устойчивостью к вирусу травянистой карликовости и другим заболеваниям на миллионах гектаров Южной и Юго-Восточной Азии (Barclay, 2004; Brar и Kush, 1997). Устойчивость картофеля к фитофторе, обусловленная присутствием генов диких видов Solanum demissum и S . stoloniferum Schltdl и Bche, продолжает быть эффективной в некоторых районах возделывания. В настоящее время 40% всех сортов картофеля, возделываемых в США, имеют в своей родословной S. demissum . Наряду с этими дикими видами, S. chacoense Bitt., S. acaule Bitt., S. vernei Bitt. и Wittm., и S. spegazzinii Bitt. также обес-печилиустойчивость к нескольким видам вирусов и вредителей (Love 1999; Ross 1986).

Селекционеры продолжают идентифицировать и внедрять гены диких видов пшеницы, отвечающиезаустойчивость кстеблевой илистовой ржавчине (Hoisington идр., 1999), вирусу желтой карликовости и полосатой мозаики пшеницы (Hoisington и др., 1999). Линии яровой пшеницы, происходящие от Aegilops tauschii Coss . и устойчивые к Гессенской мушке, главному насекомому-вредителю, недавно стали доступными для селекционеров (Suszkiw, 2005).

На протяжении многих десятилетий в ходе скрещиваний селекционеры переносили генетический материал диких видов подсолнечника Helianthus annuus L. и H. praecox Engelm. & A.Gray в новые сорта и гибриды, обеспечивающий их устойчивостью к ложной мучнистой росе, ржавчине, вертицилез-ному вилту и заразихе. В 2005 году было создано несколько сортов подсолнечника, устойчивых к новым штаммам ложной мучнистой росы. Дикие виды подсолнечника оказались устойчивыми к таким гербицидам, как имидазолинон и сульфонилмочевина, которые используются против вредителя подсолнечника заразихи (Seiler and Gulya, 2004). Эти гены устойчивости были перенесены в возделываемые гибриды под коммерческим названием «Clearfield», которые, как ожидается, принесут доход в миллионы долларов.

Менее известны культурные сорта маниоки, полученные от скрещивания с Manihot glaziovii Mull. Arg. и культивируемые в различных странах Африки, где повсеместно распространены такие заболевания, как вирус мозаики маниоки и бактериальное увядание маниоки. Устойчивость к этим заболеваниям, приобретенная от диких видов, внесла вклад в 40%-е увеличение урожайности этой культуры в Нигерии (Nweke, 2004).

Устойчивость проса к ржавчине и к Pyricularia grisea была перенесена от дикорастущих видов. Хотя эта устойчивость к ржавчине была довольно быстро преодолена новыми штаммами возбудителя этого заболевания, однако устойчивость к Pyricularia все еще эффективна (Wilson и др., 1991; Wilson и Gates, 1993). Недавний успех в скрещивании между Sorghum macrospermum и S. bicolor является многообещающим вделе переноса генов устойчивости к биотическим и абиотическим факторам от дикого вида в культурные сорта сорго обыкновенного (Price et al., 2005).

Дикие несъедобные диплоидные бананы, «Calcutta 4» (Musa acuminata Colla) , были использованы для получения гибридов, как источник устойчивости к заболеванию черная сигатока (black Sigatoka), вызываемому грибом Mycosphaerella fijiensis (Escalant и др., 2002). Новые поколения этих гибридов, получившие широкое распространение с 1990х годов, являются устойчивыми к заболеваниям black Sigatoka и фузариозу (Vuylsteke и др., 1993).

Огромное количество современных сортов салата получили свою устойчивость к различным биотическим и абиотическим факторам от своих диких сородичей. Устойчивость сортов салата к мучнистой росе (Bremia lactucae) и к тле (Nasonovia spp.) берет свое происхождение от диких видов (Crute, 1992; Eenink и др., 1982). Начиная с 1980-ых годов, селекционеры регулярно производят сорта салата с устойчивостью к мучнистой росе, полученной ими от их дикарей, без чего было бы просто невозможно возделывание данной культуры во многих странах Европы. Однако эта устойчивость довольно быстро преодолевается новыми штаммами патогена, поэтому селекционеры вынуждены вновь и вновь возвращаться к диким видам (Crute 1992).

До сегодняшнего дня использование диких видов арахиса не было высокоэффектив-ным.Хотя ибылисозданы сортаарахисасус-тойчивостью к корневой нематоде, происходящей от дикого вида Arachis cardenasii Krapov & W.C. Greg (Simpson и Starr, 2001), однако они никогда не выращивались на значительных площадях из-за недостаточной устойчивости к вирусу пятнистой бронзовости томата.

Интрогрессия генов от дикаря Tripsacum L. в культурные сорта кукурузы не имела значительных успехов с тех пор, как были созданы сорта с устойчивостью к Helminthosporium и Puccina за период с 1950 по 1980 годов. В ближайшем будущем ожидается получение культурных сортов кукурузыс генамиотдико-го вида Tripsacum , которые обеспечат устойчивость к таким неблагоприятным факторам, как засуха и повышенное содержание алюминия в почве, а также создание сортов с повышенными питательными свойствами.

Устойчивость сои к нематоде былауспеш-но передана от многолетней дикой сои, Glycine tomentella Hayata (Riggs и др., 1998), однако получение культурных сортов все еще находится на стадии разработки. В настоящее время разрабатываются линии нута, происходящие от Cicer reticulatum Ladizinsky и C. echinospermum P.H. Davis, и обладающие устойчивостью к корневой нематоде и фитофторе. Однако этилинии все еще проходят серию бэкроссов по восстановлению куль- турного фенотипа. В настоящее время, селекционерами проводится скрининг дикорастущих видов фасоли на их устойчивость к сетчатой пятнистости, ржавчине, белой гнили, вирусу желтой мозаики, зерновке и насекомым-вредителям хранения зерна (Singh, 2001; Gallepo, 1988).

Устойчивость к абиотическому стрессу

Несмотря на то, что существует большое количество диких видов с потенциально полезными признаками устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды, на данный момент существует только несколько примеров, когда устойчивость к абиотическим факторам была передана от дикорастущих видов в культурные сорта растений (Shannon, 1997). Одним из таких примеров является культурный сорт нута («BG1103») с дикими генами от Cicer reticulatum и облада-ющийустойчивостью кзасухе и повышенным температурам. В 2004 году были созданы шесть культурных сортов ячменя с устойчивостью к засухе, полученной от Hordeum spontaneum K. Koch. Использование в скрещиваниях дикого риса O.rufipogon Griff с устойчивостью к высоким содержаниям кислого сульфата в почвах Вьетнама (Nguyen и др., 2003), а также дикого риса O. longistaminata A.Chev.&Roehrich с устойчивостью к засухе на Филиппинах (Brar, 2005) позволило селекционерам получать урожаи риса в ранее непригодных районах. Дикие виды томата L. chilense и L. pennellii использовались селек-ционерамидля получениясортов с повышен-нойустойчивостью кзасухе изасолению почв (Rick and Chetelat, 1995).

В скором времени будут получены культурные сорта подсолнечника и бобов, содержащих гены от их диких сородичей. Гибриды подсолнечника, устойчивые к засолению, ко-торыеувеличатурожайность на 25%, все еще находятся на стадии разработки (Lexer и др., 2004), хотя линии-закрепители уже получены (Miller and Seiler, 2003). Культурные сорта бобов с устойчивостью к пониженным температурам, полученной от дикого вида Phaseolus , также находятся на стадии получения.

Увеличение урожайности

Дикорастущие виды не обладают высокой продуктивностью, и соответсвенно генами, которые можно было бы передать в культурные виды для повышения их урожайности. Увеличение продуктивности возделываемых культур связано, главнымобразом, сдругими ценными признаками, которые можно получить от их диких видов, а именно, с устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам окружающей среды. Так, например, урожайность культурного сорта нута «BG1103», которая на40% выше, чемудругих сортов, обеспечивается за счет диких генов устойчивости к засухе и повышенным температурам. Другой пример –TMS линия маниоки, полученная от скрещивания с диким видом, дающая 40%-е увеличение урожайности в основном за счет устойчивости к заболеваниям, обеспеченной за счет диких генов (Nweke, 2004). Среди изученных видов культурных растений был обнаружен только один пример сорта, созданного на основе дикой генплазмы, которая обеспечила повышение урожайности. Это сорт риса «NSICRc112», созданный на основе скрещивания O. sativa и O. longistaminata (Brar 2005).

Тем не менее, становятся известными все большеслучаев получения высокоурожайных гибридов с использованием диких сородичей. Например, синтетический гексаплоид пшеницы (SH), являющийся результатом скрещивания между твёрдой пшеницей и диким сородичем Aegilops tauschii (Mujeeb-Kazi и др. 1996), был затем бэкроссирован с элит- ными сортами пшеницы для получения сортов сулучшенными качественными показателями, с устойчивостью к болезням и высокой урожайностью. В 2003 году в Китае был со-здансорт «Chuanmai42»,сурожайностью выше на 20-35%, как результат скрещивания SH пшеницы и местного сорта (CIMMYT, 2004). В настоящее время, селекционеры тестируют и скрещивают около шестисот SH линий с широким диапазоном положительных признаков, таких как устойчивость к заболоченным почвам (Villareal и др., 2001), устойчивость к корневой гнили (Cochliobolus sativus) и головне (Neovossia indica) (Mujeeb-Kazi и др., 2001).

Из литературных источников известно, что последовательное введение трех независимых геномных блоков, происходящих от Solanum pennellii , зеленоплодного дикого сородича томата, привело к получению гибридов с 50% -м увеличением урожайности по сравнению с ведущими сортами (Gur и Zamir, 2004). Высокоурожайные гибриды, созданные с использованием цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС), происходящей от диких видов, также завоевали известность.

Цитоплазматическая мужская стерильность и восстановители фертильности

Главное преимущество F1 гибридов – установление гетерозиса в популяциях, приводящего к повышению урожайности – зачастую достигается через использование ЦМС. Многие дикие виды обладают ЦМС, что было с успехом использовано селекционерами для получения большого количества гибридов и отдельных сортов.

Использование, начиная еще с 1972 года, ЦМС дикого вида подсолнечника H elianthus annuus и H. petiolaris Nutt привело к тому, что в настоящее время, почти 100% производимого в США подсолнечника, и приблизительно 60-70% подсолнечника, производимого во всем мире, имеют в своей родословной этидикие виды (G. Seiler, персональное сообщение).

95% гибридов риса,занимающих примерно 45% площадей в Китае, получены с использованием ЦМС при скрещивании с диким рисом O. sativa f. spontanea L. (Virmani и Shinjyo 1988). ЦМС и линии-восстановители фертильности, происходящие от P ennisetum purpureum Schum., были использованы для получения первых гибридов зернового и фуражного просо (Hanna 1989). Например, сорт просо «Tifleaf3», выпущенный в 1997 году, дает на 20% фуража больше, чем восприимчивые к заболеванию сорта (Hanna et al. 1997).

Улучшение качественных показателей

Томат является классическим примером использования диких видов для улучшения качественных показателей, таких, например, как увеличение растворимости сухого вещества, цвет плодов и адаптация к сбору урожая. Картирование качественных и количественных признаков (QTL картирование) и его анализ привели к идентификации полезных генов, контролирующих такие признаки, как, например, размер плода, в таком, казалось бы, малообещающем кандидате с маленькими плодами, как L. pimpinellifolium (Tanksley и McCouch, 1997).

Дискуссия

Насколько далеко мы продвинулись?

За последние 20 лет практически удвоилось как количество используемых диких видов, так и количество сортов культурных растений, полученных с помощью дикорастущих сородичей, а более ста полезных признаков было передано в культурные сорта. Те культурные растения, чьи дикие разновидности с успехом использовались еще 20 лет назад, по-прежнему остаются приоритетными. Это такие, как томат, пшеница, рис, картофель и подсолнечник. Устойчивость к болезням и вредителям – это основная причина, по которой дикие виды вовлекаются в селекционный процесс. На настоящий момент примерно 80% из 14 культурных видов и сортов, проанализированных нами, обладают устойчивостью нетолько к биотическим, но и абиотическим факторам, а также улучшенными показателями качества и урожайности.

Большое количество культурных сортов находится на стадии полевых испытаний. Сообщается, что в ближайшие два года будут запущены в производство линии риса, происходящие от скрещивания с O. glumaepatula Steud., культурные сорта кукурузы на основе дикого вида Tripsacum , а также культурные сорта и гибриды кайянуса, сорго и сои, несущие гены от диких сородичей.

Движущие силы и ограничения

Главными лимитирующими факторами при использовании диких видов в селекции являются трудности, связанные с межвидовой гибридизацией. Однако использование эмбриокультуры и рядадругих биотехнологических методов могут преодолеть барьеры межвидового скрещивания. В подтверждение эффективности биотехнологических подходов существует целый ряд примеров, среди которых передача устойчивости к вирусу мозаики маниоки как результат скрещивания с Manihot glaziovii (Akano и др., 2002), а также получение гибридов между культурными сортами нута и C. pinnatifidum Jaub.&Spach. с передачей устойчивости к ас-кохитозу (Mallikarjuna, 1999).

Такой лимитирующий фактор, как передача потомству нежелательных агрономических признаков от диких видов также ограничивает использование дикой генплазмы. Показательными примерами являются линии хмеля с устойчивостью к паутинному клещу, полученной от диких видов, которые не были использованы в производстве из-за чрезвычайной опушенности листьев и шишек, а также линии нута, полученные от скрещивания между C. arietinum L. и C. reticulatum, которые небылизапущены вдальнейшие полевые испытания из-за очень низкой урожайности. Усилия по преодолению негативных эффектов при межвидовом скрещивании путем бэ- кроссов являются достаточно дорогостоящими и затратными по времени, и вряд ли они ускорят процесс получения новых сортов на основе межвидовой гибридизации. Молекулярные методы предлагают частичное решение этой проблемы, но, вероятнее всего, эффекты плейотропии генов по-прежнему будут ограничивать использование геномов диких сородичей.

На сегодняшний день количество разновидностей дикорастущих видов растений и их доступность в генбанках не являются лимитирующими факторами для использования их в целях селекции. Кроме того, публикуется множество работ, посвященных изучению потенциально полезных признаковдиких видов. Тем не менее, для многих культурных растений, изобилующих большим количеством доступных в генбанках диких разновидностей, до сих пор не создано (или созданы всего лишь единицы) сортов, несущих гены от их диких сородичей, поскольку существует еще целый ряд барьеров (проблемы скрещивания и ассоциированные с этим агрономические проблемы), которые необходимо преодолевать.

Наиболее многообещающими по своему потенциалу в деле использования диких ви-довявляютсяуспехи и прогресс в области изучения генома растения в целом. Если раньше интрогрессию диких генов в культурные виды было достаточно сложно определить обычными генетическими методами, то теперь использование ДНК маркеров и сикве-нирование геномов оказывают большую помощь в идентификации нужных генов и отборе по тем признакам, которые трудно определяются фенотипически. Маркер ассоциированная селекция (MAS) не только эффективна и рентабельна, но и высокопроизводи- тельна и поддается автоматизации (Gupta и др., 2001), позволяющей скрининг больших коллекций. MAS может быть также использована для поддержания рецессивных аллелей в бэкроссных поколениях. Использование технологии полиморфизма единичных нуклеотидных замен – SNP (single nucleotide polymorphism) – имеет огромный потенциал как один из представителей нового поколения маркеров, не ограниченный лимитирующей стадией электрофореза и предлагающий высокую интенсивность маркеров (Koebner and Summers 2002). Генная инженерия позволяет интродуцировать новые признаки, преодолевая барьеры биологической несовместимости скрещиваемых видов. Однако, скорость введения новых генов с помощью генной инженерии, по сравнению с классическим скрещиванием, несколько преувеличена (Gepts 2002), из-за недостаточной точности интеграции введенного гена, что требует обширного тестирования полученного потомства и дополнительных про-грамм-бекроссов, которые зачастую следуют за успешной трансформацией для интро-дуцирования трансгенов на желаемую генетическую основу (Gepts, 2002; Zhong, 2001). Но, не смотря на то, что количество молекулярно-генетических методов постоянно растет, однако качественного скачка по ускоренному введению желаемых характеристик в различные культуры пока не произошло.

Будущие перспективы

В своей работе селекционеры зачастую больше полагаются на старую парадигму поиска полезных признаков, ассоциированных с дикими видами, нежели на поиск полезных генов. Поскольку фенотипически большинство диких видов имеют низкую урожайность и низкое качество, ученые редко прилагали усилия для поиска положительных сторон этих признаков. И вследствие этого изучались в основном признаки, контролируемые единичными генами, такие как устойчивость к болезням, которые выявлялись фенотипически у диких видов путем стандартного скрининга. Несмотря на тот факт, что все чаще появляются научные работы, связанные с изучением признаков, контролируемых QTL у диких видов (Tanksley идр., 1996; Sebolt идр., 2000; Nguyen и др., 2003), тем не менее, потенциал новых молекулярных технологий, еще не до конца раскрыт.

Разработка молекулярных технологий, улучшение техник межвидового скрещивания и углубление генетических знаний могут помочь в поиске и освоении новых ценных признаков диких растений. Проблемы, связанные с межвидовыми барьерами и передачей в потомство негативных признаков от дикарей, будут оставаться одними из главных проблем, но для многих культурных видов растений они будут преодолены, и количество новых сортов, несущих дикие гены, будет постоянно увеличиваться, а также будет расти количество вовлекаемых в селекционный процесс дикорастущих видов. В этой связи будет очень актуальным сохранение всего многообразия видов и разновидностей дикорастущих растений, а их консервация in situ и ex situ будет одним из важных направлений работы (Meilleur и Hodgkin, 2004). Однако полная реализация заложенного в диких генах потенциала несомненно зависит от доступности всех ресурсов и поддержки предварительных селекционных программ по введению в действие всех технологий, о которых еще говорили Tanksley и McCouch (1997).