Рассказывает действительный член Всесоюзной Академии сельскохозяйственных наук имени Ленина и Академии наук Белорусской ССР Н. ТУРБИН, президент Всесоюзного обществе генетиков, и селекционеров, академик-секретарь Отделения растениеводства и селекции ВАСХНИЛ.
СЕЛЕКЦИЯ НАУКА ИЛИ ИСКУССТВО!
Среди работников сельского хозяйства, и особенно среди людей, далеких от него, еще широко бытует мнение, что создание новых сортов растений сродни искусству. И образ селекционера, не расстающегося с растениями от восхода солнца до заката, умеющего увидеть в ростке нечто новое, только ему доступное, и ускользающее от взора других людей, - всегда этот образ чем-то напоминал дотошных, и мудрых народных умельцев.
Еще лет 60 назад, когда законы наследственности не были так детально изучены, как сейчас, селекционер мог полагаться лишь на собственный опыт и использовать добытые им или его коллегами чисто эмпирические денные, а в очень многом, и на свою интуицию. Это и послужило поводом для утверждения, что селекция - скорее искусство, чем область практической деятельности, опирающаяся на научные знания.
С помощью селекции меняют наследственность - саму природу растений. С экономической точки зрения главная особенность селекции состоит в том, что, используя новые, более урожайные сорта, можно получать дополнительную продукцию без увеличения затрат на выращивание растений, кроме затрат на уборку, и транспортировку дополнительного урожая. С биологической точки зрения селекцию можно представить себе, как эволюционный процесс, направляемый человеком.
Сегодняшняя селекционная наука становится одной из самых точных биологических прикладных дисциплин.
РАСТЕНИЯ В ЗЕЛЕНОЙ РЕВОЛЮЦИИ
Обновление земли, о котором мечтал Владимир Ильич Ленин, совершается сейчас особенно быстрыми темпами.
В свое время в России широко бытовала пословица «Один с сошкой, семеро с ложкой». Она не только говорила о степени угнетения русского крестьянина, но и довольно точно показывала, сколько человек может прокормить один земледелец.
На сегодняшний день один работник сельскохозяйственного производства в наиболее развитых странах мира кормит двадцать пять - сорок человек. Такое резкое изменение совершилось в самое последнее время.
Вскоре после окончания второй мировой войны у агрономов появилась мысль о получении больших урожаев, чем может родить почва за счет естественного плодородия. Это стало возможно в связи с бурным ростом производства минеральных удобрений, увеличением площадей орошаемого земледелия, химизацией, и механизацией сельского хозяйства. Поля с помощью нового технологического ритма возделывания превращают в «цеха», а растения - в «зеленые машины», перерабатывающие производимые заводским путем удобрения в пищу для человека и сельскохозяйственных животных. Достигнутый прогресс, и принято называть «зеленой революцией»
Увеличение доз минеральных удобрений - глазного фактора повышения урожайности - потребовало вывести принципиально новые сорта. У созданных растений увеличена доля зерна от общей массы растения. Ученые «называют это свойство «отзывчивостью» растений к внесению удобрений. Но применение больших доз удобрений, особенно азотистых, принесло и неприятности хлеба начали полегать. И почти одновременно во многих странах появились короткостебельные сорта, устойчивые к полеганию.
Предъявляют свои требования к селекционерам, и механизаторы. Например, для уборки урожая машинами пришлось вывести томаты с одновременным созреванием плодов (созревание плодов томатов в разное время сдерживало развитие этой культуры), кукурузу с початками, растущими на одной высоте.
Расширение границ орошаемого земледелия вызвало рост грибковых заболевании у злаков - селекционеры ликвидировали эту опасность, создав устойчивые сорта.
Я привел эти примеры специально для того, чтобы показать, что абсолютно все факторы развития сельскохозяйственной индустрии обязательно нуждаются в содействии селекционеров ни техника, ни химия без изменения наследственности растений не могут успешно решить проблему увеличения урожая
Изменились и темпы селекционной работы. Еще совсем недавно для выведения нового сорта зерновых культур требовалось 12 - 14 лет, а смена их на полях проходила раз в двадцать лет. Теперь положение изменилось. Постоянное совершенствование технологии выращивания культур требует более быстрого выведения сортов. Ведь экономическая ценность улучшенного сорта заключается не только в его возможности дать больший урожай, но, и в скорости, с которой этот сорт сменяет старые на полях. Например, использование такого высокопродуктивного сорта, как Бс-зостая-1, дает стране ежегодно дополнительной продукции на 200 миллионов рублей, и экономически небезразлично, появился ли этот сорт на полях на два-три года раньше или на два-три года позднее.
Селекционер должен не только хорошо знать постоянно меняющиеся требования к сорту, он должен предвидеть изменения в сельском хозяйстве на много лет вперед, ведь выводимый им сорт предназначается для будущих поколений.
Особое значение на индустриальном этапе сельскохозяйственного производства приобрела генетика создание, конструирование новых сортов невозможно без точного знания законов наследственности.
Ниже я остановлюсь на некоторых основных направлениях генетических исследований в селекции растений.
БАНК ЗАРОДЫШЕВОЙ ПЛАЗМЫ
Самое пристальное внимание уделяют селекционеры своим коллекциям, стараются собрать, как можно больше образцов семян, и культурных растений, и их диких предков. Это жизненная необходимость. Один сорт устойчив к повальной болезни, другой поражает мощностью плодов, третий - так себе, середнячок. В общем, каждый вид культурного растения, каждый его сорт несет набор только ему одному свойственных генов. И полная коллекция образцов семян - генофонд культуры.
Одна из самых полных коллекций собрана Всесоюзным институтом растениеводства. Ее основателем был академик Н. И. Вавилов. Тысячи образцов семян по каждой культуре позволяют селекционеру выбрать нужные, обладающие необходимыми качествами для выведения нового,' более продуктивного сорта.
При использовании коллекций возникает множество проблем, и главная - максимальное использование всех «хороших» генов и замена «плохих» на лучшие. Я не буду останавливаться подробно на всех аспектах. Мне кажется, что сейчас недооценивается один очень важный момент. Речь идет об искусственно создаваемых образцах с преобладанием одного определенного признака. Известно, что подобный отбор всегда проходит гораздо эффективней, и быстрее, чем одновременный отбор по нескольким признакам. Но селекционеру важно все вместе и высокий урожай, и способность противостоять болезням, и устойчивость к полеганию, и зимостойкость, и многое другое.
Я специально хочу обратить внимание на важность отбора растений только на один, какой-либо признак, на необходимость создания коллекций резко разнокачественных семян. Ведь подобные растения с помощью гибридизации, и приемов «хромосомной инженерии» смогут впоследствии быть использованы, как доноры желательных генов. И, сочетая подобные «исключительные» признаки, селекционер сможет быстрее вывести лучшие сорта растений.
Изменится в будущем, видимо, и ход селекционного процесса. Будет целесообразно разбить его на две стадии. Первая - связанная с созданием принципиально новых форм генетического материала. Например, создание линий растений с резко выраженным одним ценным свойством. И на второй стадии, используя полученный фонд генов, можно будет переходить к выведению сортов для производства обладающих комплексом желательных свойств.
СОРТА ШИРОКОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
Одно из важнейших свойств лучших современных сортов культурных растений заключается в их способности давать не только высокий, но, и относительно стабильный в различных географических зонах урожай. Подобную «буферность» сортов биологи называют гомеостазом.
Новейший опыт мировой и отечественной селекции наглядно свидетельствует о возможности получения сортов, обладающих широким гомеостазом. Создатель всемирно известных мексиканских сортов пшеницы, лауреат Нобелевской премии Н. Борлаог сознательно проводил селекцию на широкую общую приспособленность в районах с различными условиями. В результате у полученных сортов есть одна физиологическая особенность - они не чувствительны к длине светового дня. Большинство же из известных пшениц требует для своего развития длинный день. Эта особенность обеспечила мексиканским сортам широкое распространение - более чем в 20 странах.
Лучшие отечественные сорта озимой пшеницы Безостая-1, выведенная действительным членом АН СССР, и ВАСХНИЛ П. П. Лукьяненко, и Мироновская-808, полученная действительным членом ВАСХНИЛ В. Н. Ремесло, - также обладают широким гомеостазом.
Эти два сорта занимают площадь свыше восемнадцати миллионов гектаров, что составляет примерно 80 процентов всех земель, засеянных озимой пшеницей. Множество имеющихся местных сортов не выдерживает конкуренции с Безостой-1, и Мироновской808.
В девятой пятилетке этим сортам-рекордсменам придется потесниться. Новые пшеницы Аврора, Кавказ, Мироновская-юбьлейная-50, Одесская-51, Харьковская-63, и другие уже прошли Государственные сортоиспытания, и ^готовы сменить на полях Безостую-1, и Мироновскую-808. У новых сортов урожайность выше в среднем на 2 центнера с гектара, а это значит, что можно дополнительно получать несколько миллионов тонн хлеба ежегодно.
Получение сортов, обладающих широким гомеостазом, в сильной степени уменьшает, и даже устраняет необходимость выведения местных сортов пшениц, приспособленных лишь к специфическим условиям небольших районов. Появляется, и возможность концентрировать усилия ученых в немногих крупных, хорошо оборудованных научных центрах.
СЕЛЕКЦИЯ НА КАЧЕСТВО
С помощью селекции можно не только повышать урожайность культур, но, и улучшать их качество. Речь идет о таких признаках, как масличность у масличных культур, сахаристость у сахарной свеклы, содержание витаминов в овощных, и плодово-ягодных культурах, улучшение аминокислотного состава в зерне зерновых, и зернобобовых культур.
Важнейшим источником пищевого, и кормового белка являются зерновые культуры.
Процентное содержание белка в чих относительно невысоко - 10 - 14 процентов. Валовой сбор белка с одного гектара у этих культур уже в ближайшее время может быть увеличен по крайней мере на 20 - 25 процентов за счет двух факторов применения больших доз удобрений, и селекции.
В зерновом растениеводстве есть два направления пищевое - для человека, и кормовое - для животных. И селекционер при выведении новых сортов должен учитывать, для, каких целей выводится сорт.
Растения, и животные синтезируют белки, соединяя в длинные цепи аминокислоты. Происхождение белка имеет большое значение. В животных белках имеются все аминокислоты, хотя некоторые из них - они называются незаменимыми - не синтезируются животными. В белках растений обычно отсутствуют или находятся в значительно меньшем количестве одна или несколько аминокислот. Поэтому растительные белки являются для животных менее ценным кормом, чем белки животного происхождения.
Если, какой-либо незаменимой аминокислоты, например, лизина, вдвое меньше, то, и пищевая (или кормовая) ценность такого белка также примерно вдвое меньше.
Селекционная работа в улучшении качества зерновых культур начата недавно, и носит пока поисковый характер. Трудно сказать, каковы ближайшие перспективы. Основное внимание селекционеров, выводящих новые сорта пшеницы, приковано сейчас к хлебопекарным качествам муки, зависящим от содержания, и физико-химических свойств белка - клейковины. Улучшение же состава аминокислот в пшенице, и в частности увеличение лизина, является более отдаленной целью селекции.
Человек питается разнообразной пищей, и недостаток некоторых аминокислот в пшеничном хлебе легко восполняется другими продуктами. Стакан молока, выпитый утром, даст организму человека полную дозу таких незаменимых аминокислот, как лизин, и метионин. А вот для кукурузы, ячменя, и овса, то есть для кормовых культур, проблема качества теснейшим образом связана именно с аминокислотным составом белка.
Для промышленного животноводства требуется по возможности однородный корм, содержащий все необходимые элементы питания, корм транспортабельный, удобный для хранения. Зерно с высоким содержанием белка, и нужным соотношением аминокислот явилось бы почти готовым комбикормом.
Сейчас полноценное зерно в ряде стран получают от гибридной кукурузы. В нашей стране работы по созданию таких гибридов широко и, по-моему, успешно проводят в Краснодарском институте сельского хозяйства, на Кубанской опытной станции Всесоюзного института растениеводства.
Еще большее значение имело бы получение сортов с большим количеством белка, и высоким содержанием лизина в нем у нашей главной зернофуражной культуры - ячменя. Это одна из основных задач селекции в текущей пятилетке.
ГИГАНТСКОЕ ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ
Достигнуть высоких, а самое главное, стабильных урожаев можно, используя эффект гетерозиса. Если скрестить между собой два сорта одной культуры, то растения, выросшие из полученных гибридных семян, как правило, будут более мощными, чем родительские. Это, и есть гетерозис^ Прибавка урожая может достигать двадцати - тридцати процентов.
Уже давно ученые многих стран мира изучают возможность получения подобных гибридов у разных культур, в частности у зерновых. Вскоре после того, как гибридная кукуруза завоевала признание во всем мире, как наиболее урожайная зерновая культура, за короткий срок было создано гибридное сорго, и это растение стало наиболее важной кормовой культурой почти для всех засушливых зон земледелия. Проводятся работы по созданию гибридной пшеницы, и начаты исследования по созданию гибридного ячменя.
Правда, в оценке перспектив гибридной пшеницы специалисты разных стран расходятся во мнениях.
Эта культура, вероятно, не будет иметь такого универсального значения, какое получили гибридная кукуруза, и гибридное сорго. Из-за более низкого коэффициента размножения пшеницы, то есть при более высокой норме высева, эта культура может оправдать дополнительные затраты (они очень велики), и дать экономический эффект, только, когда абсолютная прибавка урожая га счет гетерозиса будет достаточно большой и удастся добиться (что вполне возможно) значительного снижения нормы высева семян.
СОРТА ШИРОКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
По типам опыления все растения делятся на две группы. У одних, перекрестно-опыляющихся, пыльцу с растения на растение переносят насекомые или ветер, у самоопылителей пестик оплодотворяется пыльцой из тычинок своего цветка.
Каждый сорт перекрестно-опыляющихся растений происходит от многих родоначальников. Все растения на пело в той или иной мере различаются по наследственности, и в силу постоянно совершающегося перекрестного опыления они являются гибридами. Генетический же состав такого сорта относительно постоянен.
Крупнейшее достижение современной генетики - «реккарент селекшин», неудачно переведенное на русский язык, как периодический отбор. При «реккарент селекшин» в каждом последующем цикле скрещивания участвуют семена растении, отобранных в предыдущем цикле. Происходит это следующим образом. На поле отбираются лучшие растения. Их семена на следующий год высеваются, - испытываются по потомству, - растения скрещиваются, и вновь отбираются лучшие представители с новыми, более ценными комбинациями генов. С каждым годом новым циклом селекции улучшается генный состав сорта.
Оригинальную схему реккурентной селекции разработал академик В. С. Пустовойт. Важнейшим звеном в разработанной им программе является направленное переопыление цветков подсолнечника. Выбирались лучшие растения, устойчивые к болезням, с большим содержанием масла в семенах, чем у старых сортов. Скрещивания, и отборы повторялись неоднократно. Так были созданы лучшие в мире сорта этой масличной культуры, широко распространенные и в нашей стране, и за рубежом.
У самоопыляющихся растений все представители сорта являются потомками одного родителя. Сам способ размножения, при котором у самоопылителей сливаются отцовская и материнская клетки одного цветка, то есть одного организма, приводит к тому, что потомство каждого растения, и всего сорта в целом с каждым циклом размножения становится все более однородным, устойчивым в своих признаках. И весь сорт представляет собой чистую линию.
Учение о чистых линиях, связанное с именем датского генетика Иогансона, стало теоретическим фундаментом селекции самоопыляющихся растений, и оно привело к замечательным результатам. Однако в последнее время многие ученые считают, что теория чистых линий была переоценена для многих культур. В отношении самоопыляющихся растений сейчас выдвигается идея создания многолинейных сортов. При этом линии, образующие сорта, должны быть сходными внешне, но различаться по некоторым важным биологическим свойствам, например, по их резистентности к определенным расам возбудителей болезней, по приспособленности к различным почвенно-климатическим условиям, и т. д.
По существу, «рекаррент селекшин» представляет собой усовершенствованную схему массового отбора. Теоретические соображения, и практический опыт подсказывают, что в будущем подобный массовый отбор будет применяться более широко, чем за последние 30 лет.
Поворот интересов селекции самоопыляющихся растений от выведения по возможности более однородных генетических сортов (в идеале - чистолинейных, то есть потомков одного растения) к созданию сортов-популяций повышает роль генетики, как теоретической основы селекции. Селекционеры в будущем будут чаще использовать' выработанные математической генетикой инструменты для измерения разных типов генного действия, и их количественных соотношений.
ХРОМОСОМНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Крупный вклад в разрабатывание методов селекции растений сделан тем разделом генетики, который называется цитологической генетикой, или кратко цитогенетикой. Эта отрасль науки изучает роль хромосом, и других органоидов клетки в явлениях наследственности.
Как известно, в половых клетках растений, и животных находится одинарный (гаплоидный) набор хромосом. Число хромосом в наборе различное у разных видов, но постоянное для каждого вида. Например, в половых клетках мягкой пшеницы содержится 21 хромосома, в твердой - 14, у ржи - 7, у сахарной свеклы - 9.
Каждая хромосома несет определенный набор генов. При слиянии отцовской, и материнской клеток, несущих по одному набору хромосом, образуется зигота с двойным набором. Она дает начало дочернему организму. Двойной набор хромосом получает, и каждая клетка зародыша, развивающегося из зиготы, и половозрелый организм, развивающийся из зародыша.
Во взрослом организме половые клетки образуются в результате особого типа клеточного деления, при котором из каждой пары клеточных хромосом во вновь образующуюся клетку попадает только одна.
Ученые-цитогенетики научились по своему желанию манипулировать с хромосомами, увеличивать или уменьшать хромосомные наборы клеток.
Ученые могут в ходе эксперимента вдвое или втрое увеличить число наборов (это явление называется автополиплондия); могут соединить в одной клетке хромосомные наборы различных видов (аллоплоидия), могут получить организмы с одинарным набором хромосом (гаплоидия); могут вставить или добавочные хромосомы, или отдельные их фрагменты, взятые от других растений, могут заменить определенную пару хромосом на соответствующую пару другого сорта, и даже другого вида. Подобного рода способы манипулирования генетическим материалом все чаще называют хромосомной инженерией.
Эти способы получают все более широкое применение в практической селекции растений. Несомненно, что значение хромосомной инженерии по мере совершенствования ее методов значительно возрастет.
Примерно пятьдесят миллионов рублей дополнительной прибыли будет получать наша страна ежегодно, когда повсеместно будут использовать семена новых, уже созданных полигибридных сортов сахарной свеклы. Причем на всю работу по выведению этих сортов, включая, и предварительные генетические исследования, была затрачена относительно скромная сумма - около трех миллионов рублей.
Получены первые результаты по выведению тетраплоидной ржи на Новосибирской опытной станции, где работа проводилась совместно с учеными Института цитологии, и генетики Сибирского отделения АН СССР. Уже появился на полях сорт Белта, выведенный в Белорусском научно-исследовательском институте земледелия. Еще несколько образцов из разных районов страны находятся в сортоиспытаниях.
И, конечно же, тритикале - первый искусственно выведенный род растений. В клетках этих растений объединены хромосомные наборы пшеницы, и ржи. Уже получено много различных тритикале в самых разных странах. У нас успешней всего работы проводились в Институте сельского хозяйства Юго-Востока в Саратовской области в начале века, а сейчас профессорами В. Е. Писаревым, и А. Ф. Шулындиным в Немчиновке, под Москвой, и в Украинском научно-исследовательском институте растениеводства, селекции, и генетики имени В. Я. Юрьева. Особенно ценными являются тритикале с 42 хромосомами (28 хромосом пшеницы, и 14 ржи).
Чем ценны тритикале? Лучшие зарубежные сорта этой культуры уже, и сейчас дают столько же зерна, сколько озимая мягкая пшеница, но отличаются от последней повышенным содержанием белков, высокими хлебопекарными качествами муки, и меньшей требовательностью к плодородию почвы. Кроме того, изучение биологических особенностей растений показало, что колосья тритикале устроены так, что могут дать максимальное число плодущих цветков и, следовательно, зерен. Теоретически по своему биологическому потенциалу, по урожайности тритикале могут превзойти все другие колосовые культуры.
В этой работе много нерешенных вопросов, пока еще эта культура не заняла наших полей, но работа обязательно будет продолжена, ведь, по мнению многих ученых, именно тритикале - хлеб будущего.
Я считаю, что успехи в работе по искусственному синтезу новых видов растений с заранее заданными качествами могут быть поставлены в один ряд с искусственным получением новых химических элементов.
Беседу записал Л. СЕРГЕЕВ
