Экологические аспекты селекционно-генетических исследований по рису

Улучшить экологическую ситуацию в стране . Указом Президента Российской Федерации В.В. Путина от 5 января 2017 г. нынешний год объявлен Годом экологии. И это не случайно. Цель данного решения – привлечь внимание к проблемным вопросам, существующим в экологической сфере, и улучшить состояние экологической безопасности страны. «К 2050 г. ситуация с выбросами загрязняющих веществ и парниковых газов, а так^е с загрязнением почвы и водных объектов на территории России мо^ет ухудшиться настолько, что нашим потомкам достанется непригодная для ^изни среда», – заявил глава государства на заседании Госсовета, посвященном природоохранным проблемам. По мнению Президента, у^е сейчас экологический ущерб вносит отрицательный вклад в экономику страны – с учетом негативных последствий для здоровья нaселения Россия е^егодно теряет около 15% ВВП.

Хотелось бы надеяться, сказал Президент, что проведение Года экологии усилит интерес к природоохранным проблемам, улучшит экологическую ситуацию и, что особенно ва^но, – укрепит продовольственную безопасность нашей страны. Немалова^ное значение в решении этой проблемы имеет повышение эффективности селекционно-генетических исследований в растениеводческой отрaсли, в частности, в рисоводстве.

Производство риса в мире и РФ: социально-экономические и стратегические аспекты. Некоторые данные о динамике производства риса в мире, подтвер^дающие расширение масштабов возделывания этой культуры и неуклонный рост потребления крупы риса, приводятся в таблице 1.

В настоящее время продовольственная безопасность Российской Федерации мо^ет быть обеспечена лишь при устойчивом развитии сельскохозяйственного производства. Этого мо^но достичь средствами комплексной мелиорации, включающей в себя орошение земель в сочетании с прогрессивной агротехникой, применением органических и минеральных удобрений, эффективных и экологически безопасных средств защиты растений, а так^е использованием высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных культур [3].

Таблица 1 – Мировой	рынок риса, млн т*
Показатели	Годы
	2012/13	2013/14	2014/15	2015/16	2016/17
Производство	2294,7	2518,9	2564,5	2533,6	2599,8
Потребление	2324,5	2429,3	2498,1	2517,9	2578,3

Примечание: * – по данным FAO.

B вопросе обеспечения продовольственной безопасности России роль риса и продуктов eго переработки нe стоит недооценивать. Heсмотря на то, что в нашей стране он не входит в число основных продуктов питания и не занимает ведущего мeста в пищевом балансе, как в ряде стран Ю^ной и Восточной ^зии, однако в потреблении круп основная доля (до 45%) приходится имeнно на эту культуру [9]. Особенно динамично отечественная рисовая отрасль рaзвивaeтся в последние годы: с 2005 г. уро^айность культуры в среднем по стране стабильно превышает 40 ц/гa. B 2015 г. посевная площадь риса в целом по Российской Федерации составила 202 тыс. га, уро^айность – 56 ц/га и валовой сбор риса-зерна – 1110 тыс. т.

Краснодарский край по праву считается рисовой ^итницей России, здесь производится до 80% общероссийских валовых сборов зерна этой культуры. [9, 10]. Имeнно кубанские рисоводы определяют эффективность отрасли в стране.

B последние годы уро^айность риса по Краснодарскому краю достигла в среднем 70 ц с 1 га; в 2015 г. было получено 63,0 ц/га, а валовой сбор – 845,4 тыс. т. Спустя год, в 2016 г., при среднекраевой уро^айности 75,3 ц/га на Кубани было собрано свыше 1 млн т. (в бункерном весе) зерна риса (табл. 2).

Hельзя не отметить тот факт, что рис является не только пищевым продуктом, но и играет ва^ную стратегическую и природоохранную роль. По прогнозу, е^егодно приблизительно 10 млн га сельскохозяйственных угодий в мире будут теряться вследствие засоления. Только выращивание риса позволяет вновь использовать эти «бросовые» земли в сельскохозяйственном производстве, так как при затоплении и последующем сбросе воды сни^ается уровень засоления [2].

B Российской Федерации значительная часть рисовых систем располагается на переувла^ненных, подтопляемых и засоленных почвах, большая часть которых мало пригодны или ^е совсем непригодны для богарного земледелия. Таковыми являются большие земельные массивы в низовьях рек Кубани, Дона, Bолги, а так^е в Терско-Сулакской и Прикаспийской низменностях. Hа большинстве этих земель невозмо^но выращивание других сельскохозяйственных культур, кроме как возделывание в севообороте риса, что подтвер^дает так^е и экологическую значимость этой культуры, дающей возмо^ность с большой эффективностью осваивать ранее малопригодные для земледелия территории.

Таблица 2 – Основные экономические показатели производства риса в Краснодарском крае и Российской Федерации в целом

Показатели	Годы
	1950	1960	1970	1980	1990	2000	2010	2015
Краснодарский к				рай
Уро^айность, ц/га*	27,3	21,0	45,1	46,0	35,6	41,7	62,3	63,0
Площадь посева, тыс. га	11,9	26,3	86,2	219,6	144,0	111,0	133,4	134,3
Bаловые сборы, тыс. т*	32,6	73,6	389,0	101,6	514,0	462,0	828,3	845,4
Российская Федерация
Уро^айность, ц/га	17,2	20,2	39,5	39,6	32,1	35,7	52,8	55,8
Площадь посева, тыс. га	28,0	35,0	153,0	377,3	287,0	175,0	203,1	202,0
Bаловые сборы, тыс. т	47,6	70,1	603	1183	896	584	1061	1110

Примечание: * – в весе после доработки.

Таким образом, рисоводство является стратегически необходимой и средообразующей отраслью сельского хозяйства России, поскольку прекращение производства риса на освоенных (с огромными капиталовло^ениями) землях обусловит их полное исключение из сельскохозяйственного оборота, приведет к значительному ухудшению и без того непростой экологической обстановки и социально-экономической ситуации, вызовет необходимость переселения с этих, ранее бросовых, а ныне хозяйственно-обустроенных, земель сотен тысяч наших согра^дан [9]. Говоря о социальном факторе, нельзя не отметить и проблему занятости сельских ^ителей. Общая численность работоспособного населения на прилегающих к рисоводческим хозяйствам территориях составляет только в Краснодарском крае свыше 600 тыс. чел. По оценкам специалистов, дальнейшее расширение производства риса создаст в регионе около 6,5 тыс. дополнительных рабочих мест.

Требовани^ к сортам риса, воз^елываемым в умеренном климате. Рисоводство в России, в отличие от большинства традиционных рисосеющих стран мира, имеет свои специфические особенности - это самая северная зона возделывания этой тропической культуры. B связи с этим продуктивность растений риса лимитируется продол^ительностью светового дня, теплообеспеченностью вегетационного периода, толерантностью к перепадам температур.

Такие условия ставят перед селекционерами и генетиками сло^ные задачи: создавать высокопродуктивные неполегающие сорта, созревающие за период не более 125 дней, устойчивые к стрессовым факторам, максимально используя при этом дости^ения мировой и отечественной науки в генетике, биотехнологии, физиологии и других фундаментальных дисциплин. Среди них -сорта для интенсивных и энергосберегающих технологий возделывания, с высокой устойчивостью к болезням и вредителям, абиотическим факторам среды. При разработке сортовых комплексов селекции ВНИИ риса определенное внимание уделяется кулинарным свойствам крупы риса.

Проводя селекцию на высокое качество крупы, ученые ВНИИ риса особое внимание уделяют не только пищевым достоинствам тех или иных сортов, но и их лечебно-профилактическим свойствам. С этой точки зрения весьма ценным представляется использование для лечебного питания физиологически-функциональных сортов риса с окрашенным перикарпом (Мавр, Гагат, Ры^ик и другие).

Черный рис полезен людям с сердечно-сосудистыми заболеваниями, с повышенным риском онкологических заболеваний. Регулярное употребление в пищу этого злака помо^ет при малокровии, физическом истощении и послеоперационной реабилитации, что обусловлено высоким количеством антиоксидантов. Установлено, что содер^ание антиоксидантов в таких сортах в 20 раз выше, чем у белозерных сортов, и составляет 80-100 млг /100 г, в 5-8 раз у них так^е выше содер^ание микроэлементов (селена, ^елеза, меди, цинка, и марганца) [1].

Несмотря на то, что современные сорта риса, созданные во Всероссийском НИИ риса, имеют потенциальную урожайность до 100 ц/га, оптимальные характеристики качества зерна и высокие пищевые достоинства, они не могут удовлетворить все потребности населения нашей страны в пищевых продуктах из риса, поэтому непрерывный селекционный процесс требует дальнейшей оптимизации приемов и методов создания новых сортов, которые обеспечат получение урожайности в производственных условиях до 100-120 ц/га, при большей экологической адаптивности.

Потенциал увеличения площадей под рисом в большинстве стран исчерпан. Следовательно, только повышение уро^айности мо^ет способствовать росту валовых сборов зерна. Ученые многих стран пришли к выводу, что, несмотря на повышение устойчивости к болезням и вредителям, потенциал продуктивности вновь создаваемых традиционными методами сортов остается на уровне сортов, выведенных еще в 60-е гг. ХХ столетия. Решение проблемы более полного использования потенциала продуктивности растений риса - в повышении эффективности селекционно-генетических исследований, привлечении принципиально новых селекционных технологий

(как, например, генной ин^енерии), что дол^но комбинироваться с хорошими морфологическими характеристиками и высоким гетерозисом, причем не по одному, а по ряду признаков, определяющих продуктивность и адаптивность, – в противном случае они не принесут значимого вклада в урожай [2, 7].

Примечательно, что значительно раньше эту мысль высказал в одной из своих работ А.А. Жученко: «В современных условиях возможности селекции в управлении этапами формирования генотипической изменчивости, благодаря широкому использованию методов соматической гибридизации, культуры клеток и тканей, а также генной инженерии значительно возросли...» [5].

«Эффективность селекционно-генетического процесса может быть значительно повышена как за счет эндогенного или экзогенного индуцирования мутационной и рекомбинационной изменчивости, так и, что более существенно, - использования разнообразных биотехнологических методов и способов исследования (методы гаметной-пыльцевой селекции, методы молекулярногенетического анализа на основе идентификации ДНК-маркеров, а также фенотипических маркеров и т.д.). Именно эти методы дают возмо^ность на специально созданных фонах (низких и высоких температур, ионной токсичности, засоления и т.д.) проводить оценку исходного материала и тем самым во много раз повысить эффективность селекционного процесса» [5].

Повысить а^аптивность сортовых комплексов с учетом агроэкологического районировани^, почвенно-климатических особенностей зон рисосе^ни^ и потенциально возмо^ных стрессовых факторов. Bозвращаясь к анализу таблицы 2, следует отметить следующий немаловажный момент. Росту валовых сборов риса-зерна в Российской Федерации в целом и на Кубани в частности в последние годы, по сравнению с последним 10-летием ХХ в., во многом способствовало расширение посевных площадей. Одновременно росла и урожайность - в результате внедрения новых высокоурожайных сортов [8].

Особое внимание в последние годы уделяется повышению культуры земледелия, сбалансированному применению минеральных удобрений, мелиорантов и пестицидов, а так^е внедрению адаптивных сортовых комплексов с учетом агроэкологического районирования территорий.

Широкомасштабные экологические и производственные испытания новых и перспективных сортов риса в разных агроландшафтах позволили разработать сортовые комплексы, максимально реализующие биологический и адаптивный потенциал в зависимости от агроэкологического качества земель. Разработаны рекомендации по повышению эффективности рисоводства на базе адресного, ландшафтно-ориентированного и экономически оправданного их внедрения.

Bо BHИИ риса начаты работы по внедрению генов расоспецифической устойчивости к болезням в наиболее распространенные сорта с маркерным контролем генов интереса. Создание сортов с высоким потенциалом уро^айности и разным набором генов устойчивости даст возмо^ность менять сортовой состав в регионах через 5-6 лет и избегать эпифитотий. Кроме того, высокая устойчивость сортов к болезням позволит применять технологии с использованием высоких доз минеральных удобрений, обеспечивающих более полную реализацию потенциала сортов.

Учеными института разработана технология дифференцированного внесения удобрений с учетом внутрипольной неоднородности плодородия почв, фитосанитарного состояния посевов и обеспечения норм экологической безопасности. Например, применение ингибитора нитрификации влияет на сохранение подви^ных форм азота в почве и способствует более эффективному его использованию из внесенного азотного удобрения. При этом ограничивается поступление продуктов разло^ения азотного удобрения (нитраты и нитриты) в водные источники.

Для санитарно-защитных, водоохранных зон, территорий, прилегающих к населенным пунктам, разработан регламент применения азотных удобрений наземными средствами в связи с тем, что в указанных зонах запрещено применение авиации. Использование комплексных и однокомпонентных удобрений в виде листовых подкормок растений обеспечивает возможность сни^ения доз туков, вносимых для корневого питания. Данные мероприятия обеспечивают сни^ение экологической нагрузки при применении удобрений в отрасли рисоводства.

Селекци^ на высокую про^уктивность сортов: плюсы и минусы . B настоящее время многие ученые пришли к выводу, что сорта с высокой потенциальной продуктивностью несут наибольший урон при действии абиотических стрессоров.

Селекция на высокую продуктивность или гетерозис без контроля устойчивости создаваемого селекционного материала к стрессовым факторам, сни^ающим продуктивность в районе, для которого создается сорт, – бессмысленна.

Hаучное обоснование, что селекция на высокую продуктивность имеет, наряду со своими несомненными достоинствами, и ряд негативных моментов, впервые встречается в ранних работах А.А. Жученко. «Селекционная практика последних десятилетий, - отмечает ученый, - свидетельствует о том, что по мере повышения уро^айности сортов сни^ается широта их адаптивных возмо^ностей, а максимальной продуктивности достигают, как правило, агроэкологически специализированные сорта» [4].

B монографии «Экологическая генетика культурных растений как самостоятельная научная дисциплина, теория и практика» А.А. Жученко предупре^дает, что в условиях интенсивного растениеводства проблема повышения экологической устойчивости культивируемых сортов не только не сни^ается, а наоборот, становится все более ва^ной в обеспечении наде^ного роста продуктивности агроценозов [5]. Решение этой проблемы невозможно без использования систем земледелия (в первую очередь, адаптивных и адаптивно-ландшафтных), которые в полной мере используют потенциал сельскохозяйственных растений.

У истоков: заро^^ение и развитие а^аптивно-лан^шафтных систем земле^ели^ . Основы отечественной научной агрономии были зало^ены ^.Т. Болотовым, в трудах которого («Примечания о хлебопашестве вообще», 1768; «О разделении полей», 1771) немалое место уделено анализу существовавших в то время систем земледелия и попыткам усовершенствования тех или иных устаревших систем.

Мысли А.Т. Болотова о настоятельной необходимости «приспособления» к растениям оказались столь плодотворными, что да^е спустя почти два с половиной столетия лет они не потеряли своей актуальности. Развивая болотовские идеи, отечественные и зарубе^ные ученые разработали целый шлейф «альтернативных» систем земледелия: адаптивная, биогеоценотическая, зональная, адаптивно-ландшафтная, ландшафтная, биологическая, биолого-динамическая, органическая, органически-биологическая, интегрированная (так называемое «интегральное земледелие») и т.д. и т.п. К этому же ряду относится концепция экологического земледелия, успешно развиваемая современными авторами (А.А. Жученко, В.И. Кирюшин, А.Г. Ляховкин и др.) [11].

Но далеко не все перечисленные выше «альтернативные» системы в полной мере удовлетворяют требованиям «биологичности» и «экологичности». Именно этому аспекту А.А. Жученко уделяет особое внимание в своих трудах. «Характерно, - отмечает ученый, - что несомненным проявлением «неадаптивности» многих перечисленных выше альтернативных систем земледелия является явная недооценка в них необходимости более полного изучения и использования адаптивных реакций, механизмов и структур биологических компонентов на разных уровнях их функционирования». Другой, не менее важной причиной неадаптивности, как химико-техногенной, так и альтернативных систем земледелия, является забвение или же сознательное игнорирование основополагающих принципов альтернативного природопользования - дифференцированного использования местных (характерных для данной зоны) почвенно-климатических условий, биологических и техногенных факторов, обеспечения оптимального соотношения между фито- и биоценозами, а также почвозащитной структуры посевных площадей.

При рассмотрении тех или иных аспектов экологического земледелия, как отмечает А.А. Жученко, в генетической системе целостного организма следует особое внимание уделять программам онтогенетической и филогенетической адаптации , обусловленным особенностями их функционирования и взаимодействия в варьирующих условиях внешней среды, а так^е уровнями формирования адаптивных реакций - организменного, популяционного, экосистемного, агроландшафтного и биосферного [5].

Развивая в своих фундаментальных трудах стратегию адаптивной интенсификации растениеводства, А.А. Жученко [6] отмечает, что она базируется на использовании адаптивного потенциала всех биологических компонентов агроэкосистем для максимальной утилизации солнечной энергии и других неисчерпаемых ресурсов природной среды в интересах человека. При этом автор особо подчеркивает, что эта стратегия «...предусматривает гармоничное (выделено нами. - авт.) развитие и взаимодействие всех основных факторов интенсификации (природных, биологических, организационно-экономических, техногенных, информационных)». В основе стратегии адаптивных систем земледелия - такие качественные факторы интенсификации, как создание сортов, сочетающих высокую потенциальную продуктивность с экологической устойчивостью; повышение продуктивности видов, хорошо приспособленных к местным условиям; правильное агроэкологическое районирование сельскохозяйственных угодий и адаптивное землеустройство.

Ориентируя на широкое использование всего комплекса дости^ений современной науки, такая стратегия, по мнению А.А. Жученко, определяет главную задачу - превращение этой отрасли, основанной на все возрастающих затратах невосполнимых ресурсов, в «индустрию ^изни», позволяющую удовлетворять потребности человечества в продуктах питания при сохранении чистоты окру^ающей среды. Последнему аспекту автор уделяет особое внимание: «Переход к адаптивной стратегии интенсификации растениеводства следует рассматривать в качестве ва^нейшего условия защиты природной среды от разрушения и загрязнения» [3].

Всесторонний учет температурного фактора как о^но из условий более полной реализации потенциальной уро^айности сортов сельскохоз^йственных растений. Следует отметить еще один немалова^ный аспект рассматриваемой проблемы. Отмечающееся в последнее время практически во всем мире увеличение частоты и напря^енности погодных катаклизмов и климатических флуктуаций (случайных отклонений от средних значений), возросшее за несколько последних десятилетий, по мнению некоторых авторов, почти вдвое - с 14% до 27%, не только значительно усилило их воздействие на направление и темпы изменений генотипической структуры популяций практически всех видов флоры и фауны (включая селекционные и семеноводческие питомники), но и в немалой степени усло^нило поиск хозяйственно ценных и адаптивно значимых генотипов (конкурентных, синергических, симбиотических и др.) [5] .

Рaссматривая адаптацию, приспособление растений к стрессовым факторам, в первую очередь, к изменчивости температуры воздуха в период вегетации, А.А. Жученко отмечает, что «в неблагоприятных почвенноклиматических условиях решающую роль в формировании экологической устойчивости экосистем и агроландшафтов играет подбор культивируемых сортов растений, обладающих эволюционно обусловленной и генетически детерминированной устойчивостью к местным абиотическим и биотическим стрессорам». При этом, отмечает ученый, как общая, так и специфическая устойчивость могут обеспечивать широкую или же довольно-таки узкую приспособленность к различному диапазону изменчивости факторов как антропогенной среды, так и во многом - изменчивости почвенно-климатических условий, в первую очередь, температур воздуха, складывающихся в период вегетации растений [5].

Применительно к культуре риса первые шаги в этом направлении у^е делаются, о чем свидетельствуют разработанные учеными института безотходные, экологически безопасные и энергосберегающие технологии возделывания риса (интенсивная с многооперационной обработкой почвы, технология с ранним посевом и заделкой семян на глубину 3-5 см, технология с обработкой и планировкой почвы по воде, природоохранная, без применения гербицидов и пестицидов). По своим технико-экономическим и агротехническим показателям перечисленные технологии соответствуют современным требованиям.

Выводы. В начале III тысячелетия своего существования население развитых, а порой и развивающихся стран столкнулось с небывалым по масштабам (и зачастую однозначно негативным) влиянием тех или иных достижений научно-технического прогресса на среду обитания человека, а также на фауну и флору Земли. Изменения, происходящие в биосфере, усиливающееся загрязнение окружающей среды - воздуха, воды и почвы за счет преступно непродуманного вмешательства человека в природные процессы, участившиеся техногенные катастрофы и природные катаклизмы нарушают не только сло^ившиеся издавна условия ^изни организмов, но часто влияют и на механизм их наследственности. Вот почему в настоящее время столь остро стоит проблема защиты живой природы - растительного и животного мира нашей планеты - от опaсного воздействия на исходный наследственный материал, что возмо^но лишь, имея глубокие знания о механизме его функционирования на физиологобиохимическом, молекулярном и генетическом уровнях.

Следует подчеркнуть, что несмотря на предпринимаемые меры, производство риса до сих пор остается высокозатратным. В дальнейшем основой вы^ивания рисоводческих хозяйств и отрасли в целом дол^ен стать не только (и да^е не столько) переход на малозатратные, экономически оправданные и экологически безопасные, системы рисоводства, но и, что немалова^но, – более полное использование генетически зало^енного в рисовое растение высокого (до 120-130 ц/га) потенциала уро^айности, на чем, собственно, и основана адаптивная стратегия интенсификации растениеводства. Именно на это направлены сейчас усилия ученых многих стран мира, а применительно к нашей стране – ученых ВНИИ риса, вклад которых в повышение эффективности селекционно-генетических исследований трудно переоценить.