Решения технологических задач селекционного повышения урожаев, вытекающие из теории эколого-генетической организации количественных признаков
Драгавцев В.А.
Агрофизический ин-т, 195220, С-Петербург, Гражданский проспект 14. (ПриподдержкеГрантаРФФИ № 16-04-00199)
Аннотация
В период 1984-2014 наша научная школа (к 2017 г. - 35 кандидатов и 12 докторов наук) развила новую Теорию эколого-генетической организации количественных признаков. Теория базируется на открытии нового эпигенетического феномена - смены спектров продуктов генов под количественным признаком при смене лимитирующего фактора внешней среды. Из Теории вышли 24 приоритетных следствия и 10 ноу-хау, способных устранить «узкие места» традиционных технологий селекции на повышение урожаев. В статье описаны экспериментально проверенные на многих с/х культурах методы элиминации 16-ти «узких мест» традиционных селекционных технологий повышения урожаев и показана перспективность конструирования новых прорывных сортов в Селекционном фитотроне, в котором можно искусственно создавать любые динамики лим-факторов среды для типичных лет любого региона Земли.
Ключевые слова: Задачи устранения «узких мест» селекционных технологий повышения урожаев, теория эколого-генетической организации количественных признаков.
Dragavtsev V.A.
Agrophysical institute, 195220, St.-Petersburg, Grazhdansky prospect 14. (With support of Grant of Russian Foundation of Basic Research № 16-04-00199)
Solutions of technologic problems of breeding yield increasing, which issue from the theory of eco-genetic organization of quantitative characters
Abstract. In period 1984-2014 our scientific school (to 2017 year - 35 doctors of sci. and 12 professors) evolved the new Theory of eco-genetic organization of quantitative traits. The Theory based on discovery of new epigenetic phenomenon - change of genes products under quantitative trait when the limiting factor of environment change. From Theory arise 24 of priority issues and 10 know-how, which can to eliminate the “tight places” of traditional breeding technologies for rise of yields. In paper described the experimental take for granted on many agricultural plants the methods of elimination of 16 “tight places” and demonstrate the perspective of creation of new varieties in Breeding phytotron, in which quite possible to create any dynamics of limiting factors of environment for typical years of any region of globe.
Keywords: Problemsofeliminationof “tightplaces” ofbreedingtechnologiesforriseofyield, theoryofeco- geneticorganizationofquantitativetraits.
«Применение биотехнологий, включая генную инженерию, не увеличивает максимальные урожаи.
Нужны более
фундаментальные научные прорывы, если мы хотим
наращивать валовую продукцию растениеводства»
(USDAAgriculturalInformationBulletin, 2001.
С/х Информационный Бюллетень МСХ США, 2001)
«Утверждение, что биотехнология ускорит селекцию -
голословно» (Е.Д. Богданова, Эпигенетика мягкой пшеницы,
Алматы, 2012, С. 92)
В наши дни за сутки на Земле рождаются 250 000 младенцев. К 2030 г. население Земли достигнет 8 млрд человек. Если аграрии всех стран не смогут за это время увеличить объем растениеводческой продукции в мире в 2 раза, то над 2,5 млрд людей нависнет угроза голодной смерти. Сегодня на Земле голодают 1,5 млрд человек. Только за один 2011 г. в странах АТЭС число голодающих выросло на 40 млн человек, а всего к 2012 г. достигло 200 млн (из доклада В.В. Путина на САММИТЕ АТЭС- 2012). По данным ФАО за последние 50 лет совокупный объем мирового производства с/х продукции вырос в 2,5-3,0 раза, а площадь с/х территорий Земли лишь на 12%. Дальнейший рост с/х территорий в мире - невозможен (Отчет ФАО за 2014 г. Рим). Сегодня в развитых странах агротехнологии доведены почти до возможного «потолка». Дальнейшее повышение урожаев зерновых и зернобобовых в этих странах на 95% зависит от улучшения селекционных технологий, и только на 5% от улучшения агротехнологий. Эксперты ФАО (в Отчете за 2014 г.) подчеркнули: «Мировой опыт показал, что техногенная интенсификация растениеводства не способна решить проблему дальнейшего повышения урожаев, но при этом связана с ростом энергозатрат и нарушением экологического равновесия в природе. Глобальный кризис в с/х производстве XXI века требует новой стратегии - биологиза- ции растениеводства, т.е. создания устойчивых к абиотическим и биотическим факторам среды новых сортов, гибридов и видов с/х растений».
В соответствии с этой общемировой ситуацией в РФ приняты важные документы.
1) В Решении Президиума Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию РФ от 24.11.2014 подчеркнуто: «Необходимым условием инновационного развития растениеводства в РФ является использование новых сортов и гибридов с/х культур».
2) В послании Президента РФ Федеральному собранию от 08.12.2015 указано: «Совместно с РАН и при участии ФАНО обеспечить разработку... программы... по созданию отечественных посевного и племенного фондов».
3) В Стратегии национальной безопасности РФ, утвержденной Указом Президента РФ от 31.12.2015, пункт 54, с. 17 отмечено: «Продовольственная безопасность РФ осуществляется за счет... развития племенного дела, селекции и семеноводства...».
Эти документы полностью соответствуют утверждению: «Кто обладает продовольствием, тот имеет оружие сильнее атомной бомбы. В мире есть только две реальные силы - сила энергетических ресурсов и сила продовольствия» (Эрль Батц, министр сельского хоз-ва США в администрации президента Форда - 70-е годы ХХ в.)
Эйфория от достижений генной инженерии растений начинает понемногу угасать. Многие страны сокращают площади под генно-модифицированными (ГМ) растениями. В 2016 г. Аргентина сократила посевы ГМ-растений на 3%, Индия на 7%, Китай на 24%,
Уругвай на 7%. В Испании, Судане, Мексике, Колумбии, Вьетнаме, Португалии, Бангладеш, Коста-Рике, Словакии, Чехии площади ГМ-растений (в каждой стране) менее 100 тыс. га и не обнаруживают приращения. Румыния в 2016 г. покинула клуб ГМО-стран. ГМ-картофель, устойчивый к колорадскому жуку, не выращивается сегодня нигде в мире. В большинстве стран Европы и в РФ посевы ГМ-растений запрещены. Все более актуальной становится позиция Дж. Л. Брюбейкера: «Более половины населения нашей плодородной земли имеет слишком мало пищи, и даже очень глубокое знание гена даёт небольшое утешение голодным людям, пока оно не выражается в калориях» [1]. Появляются и более резкие оценки: «Генная инженерия - это единственная «инженерия», которая не знает своих объектов и действует наобум. «Генный инженер» подобен сварщику или резчику, лезущему с переделками в машину, устройство и назначение которой ему неизвестно»[2, С. 303]. Действительно, внедрение генной инженерии в растениеводство началось безо всякого пониманияэко лого-генетического
«устройства» признаков продуктивности растений и при полном игнорировании эколого-генетических механизмов взаимодействия «генотип-среда», только управление которым (бессознательное или сознательное) и определяет рост продуктивности и урожая новых сортов растений.
У современного трансгеноза очень много слабых мест. Во-первых,он может работать только с одним главным геном, затем с другим и т.д., но не может «пересаживать» сложные полигенные системы, управляющие признаками продуктивности, да еще «блуждающие» под признаком при сменах лимитирующих факторов среды. Во-вторых,пересаженный ген может «сесть» в любую хромосому и не только между генами, но и внутрь любого гена, что может привести к серьезным нарушениям генома - продукта длительной эволюции. В третьих, пересаженный ген не подчиняется «замку корреляций» целостного организма (собственные гены индуцируются или «глохнут» в зависимости от фазы развития, чужой ген работает всегда и везде, в любых органах и тканях организма, т.е. он ведет себя так же, как раковая клетка, не подчиняющаяся командам целостного организма). В четвертых,пересаженный ген не может поднять урожай, поскольку урожай формируется эффектами взаимодействия «генотип-среда», а не отдельными генами. В пятых,«существующие методы трансформации растений малоэффективны, видо- и сортоспецифичны, приводят к случайному встраиванию чужеродной ДНК в геном реципиента, накладывают ограничения на количество переносимой информации и т.д. Переброс трансгенов из одного сорта в другой требует многократных возвратных скрещиваний и, главное, не является генетически чистой процедурой, поскольку вместе с чужеродной ДНК в процессе случайной рекомбинации происходит перенос различных «кусков» ДНК сорта-донора... Поскольку эффективной процедуры встраивания трансгенов в заранее заданный участок генома не существует, то манипулирование даже несколькими независимыми признаками и их координированный переброс в сотни сортов превращаются в логистический кошмар для селекционных компаний» [3].
5 мая 1966 г. Президиум АН СССР утвердил решение Секции химико-технологических и биологических наук по докладу члена-корреспондента АН СССР Н.П. Дубинина «Практические задачи генетики в сельском хозяйстве». В решении сказано: «Первоочередными проблемами в области генетики растений. являются следующие: а) генетические основы гетерозиса и методы получения высокоурожайных гетерозисных гибридов с/х растений, в первую очередь у пшеницы, кукурузы, овощных и технических
культур; б) закономерности наследования количественных признаков, определяющих продуктивность с/х растений.; в) дальнейшее совершенствование методов отбора в селекции с/х растений». «Поручить дальнейшую разработку научных основ новых методов генетической селекции - ИО- Ген АН СССР, ИЦиГ СО АН СССР, Ин-ту хим. физики АН СССР, Ин-ту генетики и цитологии АН БССР, Ин-ту микробиологии АН СССР, Ин-ту цитологии АН СССР.» (Генетика № 8, 1966. С. 186188).
Однако, из всех НИИ, только группой сибирских генетиков (ИЦиГ СО АН) и селекционеров 8- и сибирских НИИСХ, в процессе выполнения кооперированной межведомственной программы ДИАС (Генетика признаков продуктивности яровых пшениц в Западной Сибири - на территории от Урала до Забайкалья и от Тюмени до Усть-Каменогорска, 1974-1984), [4], была открыта новая система регуляции развития свойств продуктивности - смена спектров продуктов генов, детерминирующих один и тот же признак продуктивности, при смене лимитирующего фактора внешней среды. На основе этого открытия в период 1984-2014 гг. научной школой В.А. Драгавцева (к 2017 г. - 35 кандидатов и 12 докторов наук) была развита приоритетная Теория эколого-генетической организации количественных признаков (ТЭГОКП) с 24-мя оригинальными научными следствиями и 10-ю селекционно мощными ноу-хау [5,6]. Теория и её элементы включены в Международную энциклопедию “BasicLifeSciences”, Vol. 8. P. 233-240. PlenumPress- New York and London [7], в Толковый словарь по общей и молекулярной биологии, общей и прикладной генетике, селекции, ДНК-технологии и биоинформатике, Т. 2. С. 308, [8], в Толковый словарь по инновационным вопросам селекции, семеноводства и размножения растений (русско-английский), Симферополь, «ДИАЙПИ», С. 122 [9], в Краткий словарь терминов по лесной генетике, Красноярск, Наука СО РАН. 2015, (метод фоновых признаков В.А. Драгавцева) [10].
Предоставим читателю самому судить о степени научного прорыва, привнесенного ТЭГОКП в теорию и технологии селекции, ознакомив его с новыми возможностями высоких селекционных технологий, созданных на базе ТЭГОКП. генотип засухоустойчивость сорт гибридный
Проблема 1. Необходимость создания методов надежной идентификации лучших генотипов по продуктивности при индивидуальном отборе в расщепляющихся гибридных поколениях, начиная с F2 (или в диких популяциях). До ТЭГОКП принципиальная возможность быстрой (без смены поколений) идентификации (узнавания) генетически лучших растений по их фенотипам в расщепляющихся генерациях категорически отрицалась следующими утверждениями.
Проф. Н.П. Кренке [11, С. 167] отмечал: «Начиная от первых стадий развития не существует константно особого феногенетического выражения для модификаций и наследственных признаков».
Проф. Н.А. Плохинский [12, С. 5] подчеркивал: «Для одной особи бессмысленно определять, какая часть её фенотипа обусловлена наследственностью, а какая - условиями жизни. Генетическая информация, полученная одним индивидуумом, реализуется в таком взаимодействии с условиями жизни, при котором обе причины неотделимы друг от друга».
Проф. У. Уильямс [13, С. 350] утверждал: «В продуктивности одного организма невозможно разделить генетические и внешние воздействия на признаки со слабой наследуемостью, и отбор в F2 ненадёжен».
Зав. лаб. ИЦиГ СО АН З.С. Никоро и соавторы [14, С. 300] сожалели: «Для оценки генотипа необходимо знать величину генотипического значения признака, однако, нет способа отделить генотипическое значение от экологического для каждой отдельной особи».
Акад. П.Ф. Рокицкий [15, С. 200] писал: «Фенотип особей - это единый целостный организм. О генотипе особей непосредственно, без анализа их потомства, судить невозможно».
Проф. В.К. Савченко [16, С. 19] считал: «Вычленить непосредственно для каждого организма влияние на развитие признака генотипа и среды - не представляется возможным».
Экспериментальная оценка эффективности традиционных визуальных отборов по фенотипам показала, что из 10 000 отобранных растений с лучшими фенотипами (при отборах на фоне легкой засухи) генетически ценным оказалось лишь одно растение, т.е. точность «узнавания» генотипа по его фенотипу составила 0,0001 [17]. В таких ситуациях случайный отбор может быть эффективнее отбора по лучшим фенотипам. Создается впечатление, что постулаты шестерых крупнейших феногенетиков и генетиков - справедливы. Однако, первое следствие ТЭГОКП - принцип фоновых признаков (ПФП) - теоретически и экспериментально отверг эти утверждения [18,19] и создал методы быстрой (без смены поколений) идентификации генотипического значения любого признака продуктивности у отдельной особи в расщепляющейся популяции с точностью в 1000 раз превышающей точность традиционного визуального «узнавания» генетически ценной особи [20].