нужны новые более эффективные методы конструирования сортов. Один из генетических подходов основан на химическом мутагенезе. С его помощью можно в короткий срок изменить наследственную природу растения, добиться "всплеска" у него хозяйственно ценных признаков.
В конце 1976 г. на коллегии Министерства сельского хозяйства
СССР рассматривался вопрос о состоянии исследований в области химического мутагенеза. Работы эти признаны перспективными, открывающими новые возможности в селекции сельскохозяйственных культур.
Наш корреспондент В. Ананьина встретилась с заведующим Отделом химической генетики Института химической физики АН СССР
профессором И.А. Рапопортом и попросила его рассказать об этом новом направлении в генетике и селекции.
Вопрос. О химическом мутагенезе порой говорят как о чудодейственном средстве, позволяющем изменять свойства растений в нужном нам направлении. Что в этом правда, а что преувеличение? Хотелось бы получить ответ на этот вопрос, что называется, из первых рук - ведь Вы являетесь автором химических мутагенов и руководите работами по их применению в селекции.
Ответ. Исследования по химическому мутагенезу были начаты мной на дрозофиле приблизительно 30-35 лет назад, чему предшествовало обширное экспериментальное исследование механизма ненаследственной изменчивости, вызываемой химическими веществами. Оно позволило исключить всю неорганическую химию и известную часть органических соединений из сферы поиска возможных сильных химических мутагенов. Внедрение последних в селекцию сельскохозяйственных культур началось с 1946 г. К сожалению, селекционные эксперименты того времени были прерваны в 1948 г. и возобновлены лишь 10-12 лет назад.
Химический мутагенез основан на глубоком проникновении специфических агентов в организм и влиянии их на структуру генов - единиц наследственной организации. Он является одним из новых методов селекции. Семена, пыльца, черенки, клубни обрабатываются химическими мутагенами, вызывающими полезные и ранее неизвестные наследственные изменения, которые проявляются сначала главным образом во втором поколении. Растения с такими признаками могут быть использованы в качестве исходного материала в селекционной работе при создании новых или совершенствовании существующих сортов сельскохозяйственных культур. К ценным признакам относятся, в частности, повышение урожайности, улучшение качества зерна и других продуктов, устойчивость растений к полеганию, болезням и вредителям.
Слово "мутация" восходит к понятию изменения, перемены и означает резкое уклонение или новообразование наблюдаемых признаков и физиологических свойств организма под влиянием изменения структуры гена. Мутагенез, таким образом, есть возникновение нового признака под влиянием мутагенного фактора. В нашем случае мутагенными факторами служат в целом редкие химические соединения, под действи-
154
ем которых организмы приобретают новые признаки и качества. Изменившийся организм называют мутантом.
В результате использования мутантов за последние 10 лет селекционные учреждения страны, занимающиеся химической мутагенной селекцией, создали огромный фонд новых селекционных линий и форм зерновых, технических и других культур, отличающихся рядом ценных биологических свойств. Они служат исходным материалом для селекционеров. Работа над группой перспективных мутантов позволила к 1977 г. создать примерно 65 новых сортов в нашей стране и 40-45 в странах, научные учреждения которых сотрудничают с Институтом химической физики.
Вопрос. Что же это за химические соединения, которые влияют таким чудодейственным образом на растения?
Ответ. Соединения, обладающие мутагенным действием, известны в разных разделах химии. Однако активность большинства из них очень низка или сопровождается нежелательными хромосомными перестройками. По широте и силе воздействия на наследственные качества особое положение занимают нитрозосоединения - такие, как N-нит- розоалкилмочевины, нитрозоарилмочевины, N-нитрозоамиды, N-нит- розоалкилуретаны, нитрозоамины и др. Нитрозосоединения обладают большим сродством к наследственном субстрату, вступают в непосредственное взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, а также с генными белками, и относятся к числу выдающихся селекционно значимых агентов. Первый представитель этой группы был описан мной в 1948 г.
К таким же выдающимся мутагенным химическим соединениям относятся этиленимин, окись этилена, диалкилсульфаты, некоторые фосфоросодержащие вещества.
1,4-био-диазоацетилбутан (ДАБ) представляет замечательную в другом отношении группу веществ, которые совсем не вызывают хромосомных перестроек, в то время как даже природные спонтанные (самопроизвольные) мутации дают их с частотой до 30-40%. Эта группа мутагенов избирательно взаимодействует с генными белками. При воздействии мутагенов на многие культуры возникает от 30 до 100% мутантных семей. Ведутся постоянно поиски новых эффективных мутагенов.
Вопрос. Что служит объектом обработки мутагенами и как она осуществляется?
Ответ. Преимущественно они воздействуют на семена, иногда на пыльцу, на клубни, черенки с почками и т.д.
Оптимальные дозы мутагенов определяются в предварительных и затем в более широких последующих опытах, но они оказались, как правило, близкими к исходным эффективным для дрозофилы. Обработка проводится в водных растворах, в последнее время частично с добавкой органических растворителей, и в газовой фазе мутагенного продукта (в эксикаторе). Пыльцу обрабатывают в газовой фазе с последующим опылением. Черенки и клубни обрабатываются в мутагенных растворах и в газовой фазе. Семена обязательно обрабатываются без предварительного замачивания, сухие.
155
Все эти виды воздействия вызывают появление новых признаков и свойств. Уже в первом поколении удается получить до 10-15% растений с гомозиготными (однородными) по мутациям семенами, что составляет важное фундаментальное достижение химического мутагенеза в генетике. Причина появления гомозигот в первом поколении вызвана оригинальным механизмом химической мутагенной атаки.
Вопрос. Какие сорта сельскохозяйственных культур уже получены этим методом и чем они примечательны?
Ответ. В 1976 г. в государственном испытании находилось более 43 сортов, созданных селекционерами с использованием метода химического мутагенеза. После совещания по химическому мутагенезу в начале 1977 г. получены сообщения еще о 20 новых сортах, переданных на рассмотрение государственной комиссии по сортоиспытанию. Среди них теперь есть 12 сортов пшеницы (Кишиневская 102, Полукарликовая 49, Сибирская Ульяновская; сорт озимой твердой пшеницы, сорт яровой пшеницы (Мутант-1); сорт риса Малыш; три сорта озимого ячменя (КМ-1 и Призыв); два сорта ярового ячменя (Темп и Факел), сорт твердой пшеницы; сорт ярового овса (Белозерный) и сорта многих других культур.
Три сорта уже районированы к 1976 г. Это - подсолнечник Первенец, овес Зеленый и люпин Горизонт.
По жирнокислотному составу масло семян подсолнечника сорта Первенец, автором которого является К.И. Солдатов, приближается к оливковому, содержащему 70-80% олеиновой кислоты. Особенности жирнокислотного состава делают масло стойким и к окислению при хранении и термической обработке. Подобный сорт подсолнечника создан впервые в мире. Сбор высокоолеинового масла составил в 1975 г. 1592 кг с га, а олеинового компонента масла - 1149, или на 621 кг с га больше, чем у распространенного сорта Передовик улучшенный. В то же время новый сорт сохранил витамины, характерные для подсолнечника. В качестве мутагена при выделении этого сорта применяли диметилсульфат, которым обрабатывали семена. Учитывая повышенное содержание в масле ценной олеиновой кислоты (75-80% против 25-30% у других районированных сортов), сорт Первенец, выведенный ВНИИЭМК в Краснодаре при участии ИХФ АН СССР, районирован в Краснодарском крае.
У подсолнечника в созданном селекционном материале химические мутагены вызвали низкорослость, изменение лужистости семян и повышение содержания масла до 68% (контроль - 66%). Корзинки стали крупными и более продуктивными, повысилась устойчивость к распространенному заболеванию - ложной мучнистой росе.
Сорт укосного овса Зеленый селекции Краснодарского НИИСХа создан в результате обработки семян 0,025%-ным раствором этиленимина. Во время государственного испытания в 1973-1975 гг. на ряде сортоучастков он превышал стандартные сорта по урожаю зеленой массы на 25-75 ц с га, вегетационный период его продолжительнее, чем у стандартного на 20-30 суток. В 1975 г. по 14 областям сорт Зеленый дал прибавку урожая в среднем на 40%. Этот сорт районирован в Ростовской, Горьковской, Кировской, Рязанской обл. и Марийской АССР.
156
Сорт люпина Горизонт создан в Украинском НИИ земледелия с помощью обработки семян этиленимином. Ценен повышенной продуктивностью, высоким содержанием белка и крайне низким содержанием алкалоидов.
Среди мутагенных сортов разных культур, находящихся в сортоиспытании и районированных, на первом месте стоят зерновые; на втором - технические культуры, на третьем - бобовые, на четвертом - овощные и плодовые.
Из новых сортов пшеницы выделяется Полукарликовая 49, созданная селекционером А.Ф. Жогиным. В Сибири получен продуктивный морозостойкий сорт озимой пшеницы Сибирская Ульяновская, в Одессе селекционером В.М. Пыльневым выведен сорт продуктивной твердой пшеницы.
Институт химической физики сдал в предварительное испытание пять сортов озимой пшеницы с простым и комплексным иммунитетом (устойчивостью ко многим болезням и повышением урожайности на 4-10%).
Замечательные сорта ячменя, один из которых районирован в 1977 г., выведен селекционером В.М. Шевцовым.
У гороха выявлены раннеспелые урожайные формы с компактным расположением бобов, устойчивые к полеганию и болезням.
Среди томатов также имеются раннеспелые урожайные формы с повышенным содержанием сухих веществ, дружным созреванием, низкорослые, с компактным расположением кустов. Последний признак очень важен при механизированной обработке и уборке. У огурцов с помощью мутагенов усиливается зеленая окраска, кожица становится более сочной и нежной, укорачиваются плети. Огурцы начинают раньше созревать. В 1976 г. получен сорт огурцов Алтайский с повышением урожайности на 96ц с га. Листья мутантного салата приобретают более гофрированную форму и дольше вегетируют, что позволяет и дальше использовать их.
Получены два сорта сахарной свеклы с повышенной сахаристостью - на 0,6-0,9% по сравнению с обычными сортами. На выходе - еще более сахаристые мутанты.
Выведено семь сортов хлопчатника, три из них создал таджикский селекционер Р.К. Кадыров, два сорта сои. Семь ценных сортов табака получили Ю.Ф. Сарычев и В.Н. Диленко на Крымской опытной станции с соавторами. Восемь сортов безалкалоидного люпина вывел В.И. Головченко с сотрудниками.
Если умело распорядиться полученным селекционным материалом, он позволит создать новые сорта, которые будут превосходить существующие по важнейшим параметрам. Эти возможности могут быть реализованы в ближайшие 5-10 лет. Конечно, не все мутагенные сорта будут районированы, но и они сыграют свою роль в ускорении сортосмены, так как послужат ценным исходным материалом при создании новых сортов путем гибридизации.
Вопрос. Каковы преимущества химической мутагенной селекции перед другими селекционными методами?
157
Ответ. Известно, что в селекции существуют методы внутривидовой, межвидовой и более отдаленной гибридизации, гетерозиса, инбридинга (близкородственного разведения в пределах популяции, созданной обычно скрещиванием) и отбора спонтанных мутаций из гетерозиготного (неоднородного материала). Генетиками предложен метод полиплоидии, в некоторых случаях дающий положительные результаты. Этим способом, например, получили триплоидную сахарную свеклу. Иногда применяются индуцированные хромосомные перестройки для переноса, например, участков хромосом с генами иммунитета к фитопатогенам от одного вида, обычно дикого, к другому - культурному. Но этот метод очень трудоемок и за длительный промежуток времени практически был применен всего несколько раз.
Использование же химических мутагенов - гораздо менее трудоемко. При химическом мутагенезе возникновение желательных признаков наблюдалось всеми без исключения селекционерами, сотрудничающими с ИХФ.
Помимо получения с помощью химического мутагенеза новых форм этот метод усиливает эффективность других методов селекции.
Так, обработка химическими мутагенами создаст желательные гибриды растений гораздо быстрее и лучше, чем обычные скрещивания. Молдавский селекционер проф. В.Д. Симинела в течение 17 лет безуспешно пытался сочетать устойчивость пшеницы к стеблевой ржавчине с другими полезными признаками путем гибридизации. Однако достаточно было ему обработать гибриды первого и второго поколения мутагенами, чтобы проявились искомые устойчивые гибриды.
Положительные результаты достигаются чаще, когда используют химический мутагенез при близкородственном разведении (инбридинге), хотя удельный вес его в общем селекционном процессе сравнительно невелик. С помощью инбридинга, в частности, был выведен селекционером Е.Д. Гориной (в Белоруссии) сорт гречихи Черноплодная. Вообще продолжительность селекции при использовании химических мутагенов сокращается в 1,5-2 раза. Ряд сортов был получен - от обработки до сдачи в госкомиссию по сортоиспытанию - за шесть лет.
Вопрос. Ваши работы доказывают, что химические мутагены способны реализовать скрытые ресурсы продуктивности и сообщать новые свойства практически всем сортам. Это почти сказочное всесилие. В чем его секрет?
Ответ. В генетическом материале всех культурных растений есть крупные еще неиспользованные - из-за редкости спонтанных мутаций большинства генов - ресурсы. Химические мутагены часто индуцируют наследованные изменения. В результате положительных мутаций часть биологических структур становится более производительной. Возникают изредка и новые гены, дающие растению соответственно новые признаки. Если они оказываются полезными, селекционеры широко их применяют.
Вот несколько примеров совершенно новых мутантных сортов и признаков. Селекционеры И.Ф. Катуна и B.C. Семен впервые получили в Молдавском институте плодоводства, виноградарства и вино-
158