Методы селекции растений

Огромный вклад в развитие генетики и селекции внёс советский ученый генетик и селекционер Николай Иванович Вавилов. В годы репрессий он погиб в сталинских застенках в расцвете творческих сил. Прошло пол века, но и сегодня многие его идеи и труды не утратили актуальность.

При изучении близких групп культурных растений Вавилов обнаружил сходные варианты развития одного и того же признака, которые повторялись у разных видов растений.

Сходство структур организмов называется ― гомологией.

Вавилов сформулировал закон гомологичных рядов наследственной изменчивости.

Который звучит так: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства растений в общем характеризуются определённым циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство».

Вавилов установил, что растения, предлежащие к эволюционно родственным группам, содержат одинаковые гены и потому претерпевают одинаковые мутации, приобретая при этом одинаковые признаки. 

Так, например, у двурядного ячменя колосья бываю белые и черные, и у многорядного — белые и черные. Как у того, так и у другого колосья встречаются и без остей. А также с остистыми придатками, с короткими остями и с длинными остями.

Сформулированный закон гомологических рядов Вавилов выразил формулой:

G1 (a + b + c...)

G2 (a + b + c...)

G3 (a + b + c...)

Прописными буквами G1, G2, G3 обозначаются виды, а строчными a, b, c ― их различные варьирующие признаки, например окраска, форма стеблей, листьев, семян, биологические особенности (скороспелость, холодостойкость, отзывчивость на удобрения и др.).

Доказательством закона служит материал, представленный в таблице, демонстрирующий гомологию, то есть сходство наследственной изменчивости по некоторым признакам и свойствам в пределах ряда культурных растений семейства злаковых. Такие таблицы с гомологическими рядами изменчивости были составлены ученым для большого количества сортов и видов, имеющих непосредственное отношение к культурным растениям.

Зная характер изменчивости одного или нескольких близких видов, можно целенаправленно искать формы, ещё не известные у данного организма, но уже открытые у его филогенетических родственников.

Гомологические ряды наследственной изменчивости служат источником поиска генетического разнообразия в потомстве каждой особи и способствуют отбору лучших форм в селекционной практике.

Говоря словами Вавилова, закон гомологических рядов показывает исследователю и селекционеру, что следует искать.

Центры происхождения культурных растений

Основные методы селекции вообще и селекции растений в частности — отбор и гибридизация.

Прежде чем создать новый сорт, необходимо найти нужные растения с нужными свойствами. Чем разнообразнее исходный материал для селекции, тем больших результатов можно достичь.

Для того чтобы решить проблему поиска необходимо было изучить распространение различных видов и сортов растений. С этой целью Николай Иванович Вавилов совершил немало экспедиций по земному шару.  Под его руководством были организованы научные экспедиции в разные регионы Земли для сбора образцов культурных растений, их диких предков и сородичей.

В своих исследованиях Вавилов заметил, что разнообразие сортов определённых видов культурных растений по станциям отличается. И предположил, что район наибольшего генетического разнообразия какого-либо вида культурного растения является центром его происхождения.

На основании материалов о мировых растительных ресурсах, Вавилов выделял 8 основных географических центров происхождения культурных растений.

Первый центр — Индийский (Южноазиатский). В него входит полуостров Индостан, Южный Китай, юго-восточная Азия.

Индийский центр является родиной цитрусовых, риса, сахарного тростника, баклажанов и огурцов.  

Второй центр происхождения культурных растений называется Китайский (Восточноазиатский) центр, который включает в себя Центральный и Восточный Китай, Корею и Японию. Данный центр является родиной сои, гречки, редьки, вишни, сливы и проса.

Третий центр называется Среднеазиатский. Он охватывает страны Средней Азии, Иран, Афганистан, а также Северо-Западную Индию. В этом центре были окультурены человеком абрикос, груша, морковь, лен, горох и пшеница.

Следующий центр происхождения культурных растений называется Переднеазиатский центр. Он расположен в Турции и странах Закавказья. Это родина розы, инжира, ячменя и ржи.

Средиземноморский центр охватывает африканские страны. То есть страны, которые расположены по берегам Средиземного моря. Средиземноморский центр является родиной капусты, петрушки, сахарной свеклы, маслин и клевера.

Шестой центр — Абиссинский — является самым древним из всех центров, выделенных Вавиловым. Он расположен в небольшом районе современной Эфиопии и на Южном побережье Аравийского полуострова. Абиссинский центр является родиной бананов, твёрдой пшеницы и сорго.

Центральноамериканский центр — седьмой центр происхождения культурных растений. Включает в себя Мексику, Карибские острова и часть стран Центральной Америки. Центр является родиной кукурузы, табака, красного перца, тыквы и хлопчатника.

И последний центр, который выделил Вавилов в своих работах называется Южноамериканский. Он охватывает западное побережье Южной Америки. Этот центр ― родина картофеля, ананаса, томатов и фасоли.

Так были открыты центры многообразия и происхождения важнейших культурных растений.

В ходе экспедиций было собрано более 160 тыс. образцов разных видов и сортов растений.

Эта уникальная коллекция хранится во Всероссийский институт растениеводства имени Н. И. Вавилова и используется селекционерами в практической работе. Здесь одной только пшеницы более 25 тысяч разновидностей.

Так, известный сорт озимой пшеницы — Безостая-1 — был получен в результате гибридизации аргентинских пшениц из коллекции Н. И. Вавилова с отечественными сортами.

Цель селекции ― создание сортов растений, которые удовлетворяют требованиям сельскохозяйственного производства. Селекционеры прежде всего определяют хозяйственно ценные признаки сорта. Бракуют сорта полегающие, неустойчивые к болезням и вредителям.

Перед селекционерами стоит проблема собрать сорта, которые объединяю все многообразие этих требований.

Прежде чем подойти к решению проблемы, селекционеры глубоко изучают биологию самого растения, особенности его размножения.

Новые сорта перекрёстно опыляющихся растений получают путём гибридизации и последующего массового отбора. Он состоит в том, чтобы выделить наибольшее число растений с наилучшими признаками. Отобрав такие растения, селекционер получает от них семена для дальнейшей работы. 

У самоопылителей основным методом формирования сорта является индивидуальный отбор, а также гибридизация с последующим отбором растений, сочетающих запланированные признаки.

Затем наилучшие отобранные растения передают на государственные сортоиспытания, где в различных почвенно-климатических условиях им дают объективную и всестороннюю оценку созданного сортового разнообразия, и выявляют наиболее ценные сорта по урожайности, качеству продукции и другим полезным признакам для их районирования и внедрения в производство на конкретной территории   возделывания.   

Система государственного сортоиспытания работает независимо от селекционных научно-исследовательских учреждений, давая окончательное объективное заключение о результатах и качестве их работы. После проверки растение с наилучшими признаками именуется сортом.

Один из основоположников русской селекции — Иван Владимирович Мичурин, разработал методы отдалённой гибридизации для вегетативно размножаемых растений. Он получил гибриды очень отдалённых форм.

Иван Владимирович Мичурин, скрещивая французский сорт груши Бере рояль с дикой уссурийской и выращивая сеянцы в условиях средней полосы России, создал сорт Бере зимняя, сочетающий высокие вкусовые качества плодов с зимостойкостью. Методы, разработанные Мичуриным, успешно используются селекционерами и в настоящее время.

Как принципиально решается вопрос о получении нового сорта, когда требуется совместить признаки различных сортов?

Проследим за выведением нового сорта подсолнечника. Это перекрёстноопыляемое растение.

Вы видите культурную форму, обладающую многими ценными качествами. Но у неё есть существенный недостаток она неустойчива к таким заболеваниям, как ржавчина, ложно-мучнистая роса, склеротиния.

Дикая форма подсолнечника малоурожайна, зато она более устойчива к этим болезням. Лучшие признаки двух форм — продуктивность и иммунитет —селекционер должен соединить в одном сорте. 

Для этого с дикого растения собирают пыльцу. А на материнской форме удаляют пыльники. Пыльцу переносят на корзинку подсолнечника. Идёт скрещивание. Получают гибридные семена.

Рассмотрим гибридизацию растения самоопылителя

Поле коллекционного питомника засеяно разными сортами пшеницы. Селекционеры ставят перед собой задачу получить новый сорт, соединяющий в себе лучшие качества различных сортов. 

Прежде чем приступить к скрещиванию на материнской форме удаляют пыльники. Этим её лишают возможности самоопылиться. Материнскую форму помещают вместе со специально отобранными растениями, которые будут её опылять.

Вот и результат ― гибридные семена. Их высевают. Каждое зерно имеет номер. Когда пшеница заколосится, начинают индивидуальный отбор. Выбирают колосья содержащие наибольшее количество зёрен. От этих растений получают потомство.

Индивидуальный отбор продолжается в четырёх-пяти поколениях. Наконец сорт выведен. Им становится потомство однородное по всем хозяйственно ценным признакам имеющее наивысшие показатели, ― озимая пшеница безостая-1.  

Новое как всегда подвергается всесторонней проверке. Исследуют качество муки. Хлеб, испечённый из этой пшеницы, обладает многими ценными свойствами: высоким содержанием белка, пористостью, эластичностью.

Так селекционеры дают людям высокопродуктивные сорта основной продовольственной культуры — пшеницы, а это означает, что с каждым годом увеличивается количество и улучшается качество хлебопекарных изделий. Так учёные-селекционеры решают важнейшую проблему современности — повышение эффективности сельского хозяйства.