Новые пути в селекции растений

Новые пути в селекции растений

За последние два десятилетия благодаря крупнейшим научным открытиям изменилось лицо биологии, она становится в ряд с такими науками, как физика, химия и математика. Эти науки пришли на помощь биологии в разреше­нии вопроса, что такое жизнь. Мно­гие явления жизни, казавшиеся ранее загадоч­ными, получили строго научное объяснение. Оказалось, что в основе их лежат химические реакции и физические процессы, при анализе которых широко используется математика. Так возникла молекулярная биоло­гия, основой которой является генети­ка — наука о наследственности и изменчиво­сти организмов (см. т. 4 ДЭ, ст. «Наследствен­ность»).

Успехи генетики имеют большое значение для развития эффективных методов селекции растений. Благодаря им на вооружении ученых-селекционеров появились новые методы управ­ления наследственностью. Основные из них: 1) метод генетически регулируемого гетерози­са; 2) метод экспериментальной полиплоидии; 3) получение новых наследственно измененных растений — мутантов — под воздействием иони­зирующих излучений и химических соединений. Гетерозис представляет собой особую повышенную продуктивность и жизнеспособ­ность, свойственную первому поколению гиб­ридов, т. е. потомству, полученному от скрещи­вания разных форм растений и животных. Уже давно приобрели известность отдельные замечательные гетерозисные гибриды, полу­ченные при скрещивании разных видов табака и ряда других растений. Однако долгое время считалось, что гетерозис — очень редкое явле­ние. Сейчас ученые-генетики разработали ме­тоды, которые позволили получать гетерозис даже у тех форм, у которых он раньше и не подозревался. Более того, оказалось возможным регулировать явления гетерозиса, т. е. вызывать его путем определенных типов скрещива­ний растений и изменять его силу. Вот как было сделано это замечательное открытие.

Еще в начале нашего века ученые исследо­вали генетические последствия от принуди­тельного самоопыления кукурузы. Кукуруза имеет отдельные соцветия с мужскими и жен­скими цветками (см. рис.), в то же время это перекрестноопыляющееся растение, самоопыление — чуждый для нее путь размно­жения. Были проведены опыты по принудитель­ному самоопылению кукурузы в течение мно­гих поколений. Полученное потомство, назы­ваемое линией, внешне стало ухудшаться, стало слабее. Но когда скрестили ряд линий, обнару­жили среди полученных растений замечатель­ные высокоурожайные гибриды. В наши дни это уже не отдельные эксперименты. Этот метод широко применяется в массовом производстве гибридных семян кукурузы.

У межлинейных гибридов кукурузы уро­жайность выше сравнительно с исходными сор­тами на 25—30%. Внедрение гибридной кукуру­зы в практику во многих странах мира открыло новые перспективы для увеличения мировых ресурсов продовольствия.

При получении гибридных семян родитель­ские линии высеваются рядом, чтобы пыльца одной линии смогла попасть на рыльца женских цветков растений другой линии. Однако в этих условиях пыльца может попасть и на растения собственной линии. Это нежелательно, так как при таком опылении появятся не гибридные семена, а семена невыгодной для производства данной линии. Чтобы избежать этого, на уча­стках гибридизации приходится на всех расте­ниях одной из родительских линий обламывать метелки, несущие пыльцу. Растения с обло­манными метелками могут быть опылены толь­ко пыльцой от другой линии, и на них разо­вьются гибридные семена. Однако обламывать метелки — очень трудоемкая работа, она резко удорожает производство гибридных семян. Вы­ход был найден в использовании особых линий, обладающих так называемой цитоплазматической мужской стерильностью. Растения этих линий имеют на­следственные особенности, которые не позво­ляют им развивать пыльцу. В то же время се­мена на них при опылении от растений другой, нормальной родительской линии развиваются обычно. Таким образом, на растениях с цито-плазматической мужской стерильностью раз­виваются только гибридные семена. Понятно, что при использовании таких линий не надо об­ламывать метелки, скрещивание автоматически идет в нужном направлении. За разработку это­го нового генетического метода получения гиб­ридной кукурузы М. И. Хаджинов и другие советские ученые в 1963 г. были удостоены Ле­нинской премии.

Цитоплазматическая мужская стерильность была открыта не только у кукурузы. В резуль­тате оказалось возможным получать гибридные семена у таких культур, как просо, сорго, лук, сахарная свекла и др., где из-за мелких цвет­ков контролировать скрещивание невозможно.

Межлинейные гибри­ды сорго на 40—80% превышают урожайно­стью простые межсорто­вые гибриды, лука — на 30—45%. Гибридные гетерозисные сорта идут на смену обычным. В Японии все сорта реп­чатого лука в производ­стве гибридные, здесь возделывается много гибридов капусты и огурцов. В Болгарии все посевные площади Под томатами, предназ­наченными на экспорт, заняты гибридными сор­тами.

Используя явления гетерозиса, можно рез­ко поднять и продуктив­ность лесов.

Большие возможно­сти открывает перед се­лекционерами использо­вание эксперименталь­ной полиплоидии. Известно, что ядро

клетки живого организма содержит особые образования — хромосомы, с которыми связа­на передача потомству наследственных призна­ков, причем число хромосом в клетках каждого вида растений и животных постоянно (напри­мер, у ржи 14).

Генетики разработали эффективные методы, позволяющие искусственно изменять число хро­мосом в ядрах клеток и получать организмы с новым числом хромосом. Так, например, поме­щая семена в раствор яда колхицина или нано­ся капли раствора на точки роста, можно на­рушить в клетках процесс деления. В результа­те разделившиеся хромосомы остаются в одной клетке и их число увеличивается в два раза. Клетки с удвоенным, а затем с учетверенным (и т. д.) числом хромосом получили название полиплоидных.

Количество хромосом далеко не безразлично для развития растений. Растения-полиплоиды оказались очень интересными. Как правило, они более мощные, содержат больше витами­нов, их цветки и плоды более крупные, в пло­дах больше сахара, белков и других ценных веществ. Это явление часто возникает и в при­роде, естественным путем.

Обычно ядра носят название диплоидных (приставка «ди» по-гречески означает «два»): в них все хромосомы представлены в двойном числе. В каждой паре одна хромосома имеет материнское, а другая — отцовское происхож­дение. При удвоении числа хромосом возникает тетраплоид («тетра» — четыре), у которого каж­дая хромосома повторена в ядре четыре раза. У ряда форм развитие идет гораздо успешнее, если ядро содержит по три одинаковые хромо­сомы, такие растения называют триплоидами. Триплоиды получают от скрещивания диплоидов с тетраплоидами.

Нужно заметить, что само по себе увеличе­ние числа хромосом далеко не всегда дает на­чало хозяйственно полезной форме. Но поли­плоиды — очень ценный материал для после­дующего отбора и создания новых сортов.

Большое практическое значение полиплои­дии видно из такого примера. Наши селекцио­неры создали гибридные сорта триплоидной сахарной свеклы с крупными корнеплодами и с высоким содержанием сахара в них. В резуль­тате выход сахара с гектара посевов поднялся на 15—20%. В 1965 г. первый сорт триплоидной сахарной свеклы, районированный на Кубани, высевался на полях колхозов и совхозов.

Сейчас уже получено много ценных поли­плоидов, с которыми селекционеры ведут даль­нейшую работу, совершенствуя их при помощи отбора и подбора. Среди них осо­бые формы картофеля, проса, ржи, ячменя, клевера, цитрусовых, шелковицы и многих других.

Получено много полиплоидных сортов де­коративных растений — тюльпанов, гиацин­тов, сцилл, львиного зева, роз, цикламенов, хризантем, орхидей, примул, дельфиниумов, ирисов, нарциссов и многих других. Они от­личаются особенно крупными, яркими цветками и более продолжительным цветением.

Новые признаки, передающиеся затем по­томству, возникают в организме в результате внутренних изменений в хромосомах — мута­ций. Мутации в природе возникают не так уж часто. Но оказывается, их можно вызвать искус­ственно. Ученые установили, что ионизирую­щие излучения и некоторые химические соеди­нения, проникая в клетку, изменяют молекуляр­ный состав или строение хромосом, в резуль­тате возникает очень много различных форм растений с новыми признаками. С помощью отбора и скрещиваний из этих форм селекцио­неры создают новые ценные сорта. Чтобы вы­звать эту изменчивость, семена облучают гамма-лучами, испускаемыми радиоактивным изото­пом кобальта (Со⁶⁰), используют атомный ре­актор, помещая семена на пути быстрых нейт­ронов, применяют и другие излучения. При использовании химических веществ семена на некоторое время погружают в раствор вызываю­щего мутации соединения.

Среди растений, выросших из таких семян, или в их потомстве обнаруживаются различные измененные формы. Например, появляются рас­тения с такими ценными признаками, как скороспелость, устойчивость к полеганию, крупнозерность, увеличенное количество белка, сахара, крахмала, масла в семенах и плодах, устойчивость к болезням, зимостойкость, устой­чивость к повышенной радиации и многие дру­гие. Такие растения получили название му­тантов. В нашей стране получены сотни радиационных и химических мутантов с цен­ными хозяйственными признаками.

Впервые опыты по облучению растений были начаты в СССР. Затем исследования в этой об­ласти широко развернулись в Швеции, ФРГ, ГДР, Японии, Индии, Канаде, Франции, Ита­лии, Венгрии, Чехословакии, Польше, Норве­гии, Австрии, Англии и в других странах.

Крупнейший урон сельскохозяйственному производству наносят болезни растений. Куль­турные сорта, как правило, не обладают им­мунитетом, т. е. невосприимчивостью к той или иной болезни. А вот их дикие родственники мо­гут быть вполне устойчивы. В последние деся­тилетия ученые-селекционеры проводили опы­ты по скрещиванию диких форме культурными сортами, стремясь получить гибриды, устойчи­вые против болезней. Однако эта задача оказа­лась очень сложной, потому что гибриды полу­чали от «дикарей» не только иммунность, но и множество других, нежелательных свойств (например, ухудшалось качество семян, сни­жалась урожайность растений). На помощь пришли радиационная и химическая селекция. Под действием радиации у культурных сортов без скрещивания с «дикарями» возникают мно­гочисленные мутанты, устойчивые к грибам и к другим возбудителям болезней. Этим откры­вается новая страница в борьбе против болезней растений.

Человечество обладает сокровищем в виде огромного количества сортов зерновых, тех­нических, овощных, плодовых и других сель­скохозяйственных растений. Все эти сорта созданы старыми методами селекции, основа ко­торых — скрещивание и отбор. Эти способы селекции сохраняют все свое значение и в наше время. Используя их, советские селекционе­ры-растениеводы получили всемирно известные сорта сельскохозяйственных растений. Однако при их применении результаты достигаются не скоро.

Теперь на помощь селекционеру пришли генетика, цитология, исследующая клетку, атомная энергетика, химия и математика. Они дали в руки селекционеру могучие средства изменения наследственности растений. Широкое применение их в ближайшее время изменит темпы и качество работы селекционеров. Воздействуя на самые глубинные процессы и структуры в клетке, они смогут быстро и ко­ренным образом изменять свойства растений. Перед селекционерами будущего открывает­ся увлекательная возможность — радикально изменять наследственность растений и тем самым создавать новые высокопродуктивные сельско­хозяйственные растения, удивительной красо­ты цветы, преобразовывать леса на нашей пла­нете и, наконец, обеспечивать космонавтов в их полетах к дальним мирам «зелеными друзья­ми», способными существовать в космических кораблях. Селекция растений стоит в наши дни перед великими свершениями и ждет новых исследователей.