За последние десятилетия урожайность сельскохозяйственных культур значительно выросла благодаря достижениям в области селекции растений. Какие методы и подходы позволяют селекционерам создавать все более продуктивные сорта?
1. История и значение селекции растений
Селекция растений имеет долгую историю, начавшуюся еще в глубокой древности с одомашнивания диких растений и неосознанного отбора особей с полезными признаками. Эти ранние этапы иногда называют "доместикацией" и "бессознательной селекцией".
Селекционеры древности, «бессознательно» используя искусственный отбор, создавали сорта винограда, плодовых культур, пшеницы, хорошо приспособленные к местным условиям и дающие устойчивые урожаи.
Научную основу современная селекция растений получила с развитием генетики в XX веке. Огромный вклад в становление селекции как науки внес выдающийся русский ученый Николай Иванович Вавилов. В 1920-1930-х годах он организовал масштабные экспедиции по всему миру с целью изучения генетического разнообразия культурных растений и определения центров их происхождения. Экспедиции Н.И. Вавилова собрали колоссальную по тем временам коллекцию образцов, насчитывающую более 250 000 единиц хранения и по сей день являющуюся уникальным генетическим банком для селекции новых сортов.
В настоящее время селекция растений - это мощная, высокотехнологичная отрасль с миллиардными оборотами, играющая ключевую роль в обеспечении продовольственной безопасности для растущего населения планеты. Согласно данным ФАО, селекция напрямую обеспечивает 50-60% прироста урожайности основных сельскохозяйственных культур. Таким образом, без достижений современной селекции человечеству пришлось бы распахивать все новые и новые целинные земли, что привело бы к экологической катастрофе.
2. Основные методы селекции растений
Современная селекция растений опирается на обширный набор классических и новейших методов, позволяющих эффективно улучшать существующие и создавать принципиально новые сорта растений с заданными свойствами. Рассмотрим основные из них.
Искусственный отбор
Это направленный подбор растений, обладающих ценными качествами, для последующего размножения. Проводится в двух вариантах:
- Массовый отбор - отбор группы растений по фенотипу (наблюдаемым признакам).
- Индивидуальный отбор - отбор отдельных растений по генотипу с последующей оценкой их потомства.
Искусственный отбор лежит в основе селекции, позволяя из поколения в поколение накапливать и закреплять полезные качества. Однако этот метод достаточно трудоемкий и не всегда приносит желаемые результаты.
Гибридизация
Это скрещивание растений с целью объединения в их потомстве ценных качеств родительских форм. Различают несколько разновидностей гибридизации:
- Внутривидовая - между разными сортами и линиями в пределах одного вида. Пример - получение высокоурожайных гибридов кукурузы.
- Межвидовая - скрещивание близких видов одного рода. Используется в селекции плодовых, овощных, зерновых культур.
- Отдаленная - межродовая и межвидовая гибридизация, дающая наиболее ценные, но и наиболее сложные для получения гибриды. Пример - тритикале.
Гетерозисный эффект, наблюдаемый у первого поколения межлинейных гибридов, позволяет существенно повысить урожайность. Однако для зерновых культур требуется ежегодное воспроизводство дорогостоящих гибридных семян.
3. Достижения и перспективы
За прошедшее столетие селекция растений добилась впечатляющих успехов в повышении продуктивности ведущих сельскохозяйственных культур. Так, если в 1900-1910 годах средняя урожайность пшеницы в мире составляла около 10 ц/га, то к 2020 году она выросла более чем в 4 раза, достигнув 43 ц/га. Еще более внушительный прогресс продемонстрировала кукуруза - ее урожайность повысилась с 14 до 105 ц/га за тот же период!
| Культура | Урожайность в 1900-1910 гг., ц/га | Урожайность в 2020 г., ц/га |
| Пшеница | 10 | 43 |
| Кукуруза | 14 | 105 |
Помимо роста урожайности, селекционеры добиваются повышения устойчивости сортов к болезням, засухе, засолению, накопления ценных для здоровья человека веществ. С развитием генетической инженерии появляется возможность более точного встраивания нужных генов без потери других ценных качеств. У селекции растений - огромный нереализованный потенциал, способный преобразовать сельское хозяйство и обеспечить человечество продовольствием на многие десятилетия вперед.
4. Риски и этические вопросы
Наряду с очевидными достижениями, селекция растений не лишена и определенных рисков. Так, в 1960-х годах был выведен сорт картофеля Lenape, дававший высокие урожаи, но содержащий в несколько раз больше токсичного для человека соланина по сравнению с традиционными сортами. Этот пример демонстрирует, что селекционеры не всегда уделяют должное внимание безопасности получаемых гибридов и сортов.
Еще одна потенциальная опасность - непреднамеренное снижение питательной ценности растений в процессе селекции на высокую урожайность. Так, современные сорта кукурузы содержат меньше полезных жиров, чем их дикие предки, из-за распространения мутантного варианта гена DGAT1-2.
Угрозы биоразнообразию
Вытеснение традиционных местных сортов унифицированными высокоурожайными гибридами ведет к снижению генетического разнообразия культурных растений и утрате ценных свойств, закрепленных столетиями естественного и искусственного отбора. Эта проблема особенно актуальна для развивающихся стран, где сохранились уникальные сорта, приспособленные к экстремальным условиям.
Особенности селекции для тропиков и субтропиков
Высокоинтенсивные технологии селекции, разработанные в умеренном климате, не всегда эффективны в тропиках и субтропиках, что определяет необходимость иных подходов с учетом местной специфики. К таким особенностям относятся:
- Круглогодичный вегетационный период;
- Жаркий и влажный климат, благоприятный для распространения болезней и вредителей;
- Небольшие размеры полей мелких фермерских хозяйств;
- Ограниченный доступ к ресурсам (удобрениям, средствам защиты растений).
Таким образом, одной из ключевых особенностей селекции растений в этих регионах должен стать отбор на максимальную адаптивность и устойчивость к стрессам в условиях экстенсивного земледелия.
5. Регулирование и контроль безопасности
Чтобы свести к минимуму потенциальные риски, связанные с внедрением новых сортов растений, необходимо:
- Создание эффективной нормативно-правовой базы, регулирующей селекционную деятельность и оборот семенного материала;
- Введение обязательной предварительной оценки рисков для новых генотипов растений;
- Проведение постоянного мониторинга непредвиденных негативных эффектов от внедрения новых сортов;
- Обеспечение максимальной прозрачности исследований по селекции растений для общественности;
- Выработка и неукоснительное соблюдение этических норм и правил при проведении работ в этой сфере.
6. Роль селекции в решении глобальных проблем
Селекция растений способна внести весомый вклад в решение многих острых глобальных проблем человечества, включая:
Борьба с голодом и недоеданием
Несмотря на впечатляющий рост урожайности основных зерновых культур, по оценкам ФАО еще около 820 млн человек в мире хронически недоедают. У селекции по-прежнему колоссальные возможности для дальнейшего наращивания производства продовольствия за счет повышения потенциала продуктивности растений.
Адаптация сельского хозяйства к изменению климата
Потепление климата и участившиеся засухи и аномальная жара предъявляют новые требования к жаро- и засухоустойчивости сельскохозяйственных культур. Селекция призвана создать адаптированные генотипы, способные давать приемлемые урожаи в экстремальных погодных условиях.
Переход к устойчивому земледелию
Интенсификация сельского хозяйства привела к истощению почв, загрязнению окружающей среды, разрушению экосистем. Селекция может помочь снизить потребность в удобрениях и пестицидах за счет выведения сортов, устойчивых к болезням и вредителям, а также эффективно использующих элементы минерального питания.
Сохранение генетических ресурсов традиционных сортов
Помимо создания новых высокопродуктивных гибридов, селекция призвана сохранять и приумножать генетическое разнообразие традиционных местных сортов как источника ценных аллелей для будущей селекционной работы.
Поддержка продовольственного суверенитета
Развитие отечественной селекции и семеноводства жизненно необходимо для обеспечения продовольственной безопасности и независимости страны, особенно в условиях политической и экономической нестабильности на мировой арене.
