Селекция растений - это наука об изменении признаков растения для получения желаемых характеристик. Его использовали для улучшения качества пищевых продуктов для людей и животных. Цели селекции растений заключаются в создании сортов сельскохозяйственных культур, обладающих уникальными и превосходными характеристиками, для различных сельскохозяйственных целей. Чаще всего рассматриваются характеристики, связанные с устойчивостью к биотическим и абиотическим стрессам, урожайностью зерна или биомассы, характеристиками качества конечного использования, такими как вкус или концентрация конкретных биологических молекул (белков, сахаров, липидов, витаминов, волокон) и простотой обработки. (сбор урожая, помол, выпечка, солодирование, купажирование и т. д.). Селекция растений может осуществляться с помощью множества различных методов, начиная от простого отбора растений с желательными характеристиками для размножения и заканчивая методами, использующими знания генетики и хромосом, и более сложными молекулярными методами (см. культиген и сорт ). Гены растения определяют, какие качественные или количественные признаки оно будет иметь. Селекционеры стремятся создать конкретный результат из растений и потенциально новых сортов растений.
Это практикуется во всем мире отдельными людьми, такими как садоводы и фермеры, а также профессиональными селекционерами, нанятыми такими организациями, как правительство институты, университеты, отраслевые ассоциации или исследовательские центры.
Международные агентства по развитию считают, что селекция новых культур важна для обеспечения продовольственной безопасности путем создания новых сортов, которые обладают более высокой урожайностью, устойчивостью к болезням, засухоустойчивыми или адаптированы к различным условиям окружающей среды и условиям выращивания в различных регионах.
Селекция растений началась с оседлого земледелия и, в частности, с одомашнивания первых сельскохозяйственных растений, практика, которая насчитывает от 9000 до 11000 лет. Первоначально первые фермеры просто отбирали пищевые растения с особыми желательными характеристиками и использовали их в качестве предшественников для последующих поколений, что приводило к накоплению ценных признаков с течением времени.
Прививка технология практиковалась в Китае до 2000 г. до н.э.
К 500 г. до н.э. прививка была хорошо развита и практиковалась.
Грегор Мендель (1822–84) считается " отец генетики ". Его эксперименты с гибридизацией растений привели к установлению законов наследования. Генетика стимулировала исследования по улучшению растениеводства за счет селекции растений.
Современная селекция растений - это прикладная генетика, но ее научная основа шире, охватывая молекулярную биологию, цитологию, систематику, физиологию., патология, энтомология, химия и статистика (биометрия ). Также была разработана собственная технология.
Один из основных метод селекции растений - это отбор, процесс селективного размножения растений с желательными характеристиками и исключения или «отбраковки» растений с менее желательными характеристиками.
Другой метод - это преднамеренное скрещивание (скрещивание ) близкородственные или дальние родственники для создания новых сортов или линий сельскохозяйственных культур с желательными свойствами. Растения скрещивают для введения признаков / генов из одного сорта или линии в новый генетический фон. Например, устойчивый к плесени горох может быть скрещен с высокоурожайным, но восприимчивым горохом, цель скрещивания - придать устойчивость к плесени без потери характеристик высокой урожайности. Потомство от скрещивания затем должно быть скрещено с высокопродуктивным родителем, чтобы гарантировать, что потомство наиболее похоже на высокопродуктивного родителя (обратное скрещивание ). Потомство от этого скрещивания будет затем проверяться на урожайность (отбор, как описано выше), устойчивость к плесени и получение высокоурожайных устойчивых растений. Растения также можно скрещивать сами с собой для получения инбредных сортов для селекции. Опылители могут быть исключены посредством использования мешков для опыления.
Классическая селекция в значительной степени опирается на гомологичную рекомбинацию между хромосомами для создания генетического разнообразия. Классический селекционер растений может также использовать ряд методов in vitro, таких как слияние протопластов, спасение эмбриона или мутагенез (см. Ниже) для создания разнообразия и производить гибридные растения, которые не существовали бы в природе.
. Признаки, которые селекционеры пытались внедрить в культурные растения, включают:
Успешные коммерческие селекционные предприятия были основаны с конца 19 века. Селекционеры сельскохозяйственных растений Gartons i Русская Англия была основана в 1890-х годах Джоном Гартоном, который одним из первых начал коммерциализацию новых сортов сельскохозяйственных культур, созданных путем перекрестного опыления. Первым представителем фирмы был Abundance Oat, один из первых сельскохозяйственных сортов зерна, выведенных из контролируемого скрещивания и введенный в продажу в 1892 году.
В начале 20 века селекционеры поняли, что Выводы Менделя о неслучайной природе наследования могут быть применены к популяциям сеянцев, полученных в результате преднамеренного опыления, чтобы предсказать частоту появления различных типов. Гибриды пшеницы были выведены для увеличения урожайности Италии во время так называемой «битвы за зерно » (1925–1940). Гетерозис объяснил Джордж Харрисон Шулл. Он описывает тенденцию потомков определенного кросса превосходить обоих родителей. Обнаружение полезности гетерозиса для селекции растений привело к развитию инбредных линий, которые демонстрируют преимущество гетеротической урожайности при их скрещивании. Кукуруза была первым видом, в котором гетерозис широко использовался для получения гибридов.
Статистические методы были также разработаны для анализа действия генов и отделения наследственных вариаций от вариаций, вызванных окружающей средой. В 1933 году другой важный метод селекции, цитоплазматическая мужская стерильность (CMS), разработанный у кукурузы, был описан Маркусом Мортоном Роудсом. CMS - это наследуемый по материнской линии признак, который заставляет растение производить стерильную пыльцу. Это позволяет получать гибриды без необходимости трудоемкой удаления метелок.
Эти ранние методы селекции привели к значительному увеличению урожайности в Соединенных Штатах в начале 20 века. Подобное повышение урожайности не производилось в других местах до тех пор, пока после Второй мировой войны Зеленая революция не увеличила производство сельскохозяйственных культур в развивающихся странах в 1960-х годах.
После Второй мировой войны был разработан ряд методов, которые позволили селекционерам гибридизировать отдаленно родственные виды и искусственно стимулировать генетическое разнообразие.
При скрещивании отдаленно родственных видов селекционеры используют ряд методов культивирования тканей растений для получения потомства от бесплодного спаривания. Межвидовые и межродовые гибриды получают от скрещивания родственных видов или родов, которые обычно не половым путем воспроизводятся друг с другом. Эти кресты называются широкими крестами. Например, злак тритикале - это гибрид пшеницы и ржи. Клетки растений, полученные от первого поколения, созданного в результате скрещивания, содержали неравномерное количество хромосом и в результате были стерильными. Ингибитор деления клеток колхицин использовали для удвоения количества хромосом в клетке и, таким образом, для получения фертильной линии.
Невозможность произвести гибрид может быть связана с несовместимостью до или после оплодотворения. Если оплодотворение возможно между двумя видами или родами, гибрид эмбрион может погибнуть до созревания. Если это действительно происходит, то эмбрион, полученный в результате межвидового или межродового скрещивания, иногда можно спасти и культивировать для получения целого растения. Такой метод называется Спасение эмбриона. Этот метод был использован для производства нового риса для Африки, межвидового скрещивания азиатского риса (Oryza sativa) и африканского риса (Oryza glaberrima).
Гибриды также могут быть получены методом, называемым слияние протопластов. В этом случае протопласты сливаются, обычно в электрическом поле. Жизнеспособные рекомбинанты можно регенерировать в культуре.
Химические мутагены, такие как EMS и DMS, радиация и транспозоны, используются для создания мутанты с желательными признаками для скрещивания с другими сортами - процесс, известный как мутационное разведение. Селекционеры классических растений также создают генетическое разнообразие внутри вида, используя процесс, называемый сомаклональной изменчивостью, который происходит в растениях, полученных из культуры тканей, особенно в растениях, полученных из каллуса. Также можно использовать индуцированную полиплоидию и добавление или удаление хромосом с использованием метода, называемого хромосомной инженерией.
Сельскохозяйственные исследования растений картофеляПосле того, как желаемый признак был передан виду, производят несколько скрещиваний с предпочтительным родителем, чтобы сделать новое растение максимально похожим на предпочтительного родителя. Возвращаясь к примеру скрещивания устойчивого к мучнистой росе гороха с высокоурожайным, но восприимчивым горохом, чтобы сделать устойчивое к мучнистой росе потомство скрещивания, наиболее похожее на высокопродуктивного родителя, потомство будет скрещено с этим родителем в течение нескольких поколений ( См. обратное скрещивание ). Этот процесс устраняет большую часть генетического вклада родителя, устойчивого к плесени. Таким образом, классическое разведение - это циклический процесс.
При использовании классических методов селекции селекционер не знает точно, какие гены были введены в новые сорта. Некоторые ученые поэтому утверждают, что растения, полученные с помощью классических методов селекции, должны пройти тот же режим испытаний на безопасность, что и генетически модифицированные растения. Были случаи, когда растения, выращенные с использованием классических методов, были непригодны для употребления в пищу человеком, например, яд соланин непреднамеренно повышался до неприемлемых уровней в некоторых сортах картофеля через селекцию растений. Новые сорта картофеля часто проверяются на содержание соланина перед поступлением на рынок.
Современная селекция растений может использовать методы молекулярной биологии для отбора или, в случае генетической модификации, для вставки желаемых признаков в растения. Применение биотехнологии или молекулярной биологии также известно как молекулярная селекция.
В селекции растений сейчас используются современные средства молекулярной биологии.Иногда много разных генов могут влиять на желаемый признак в селекции растений. Использование таких инструментов, как молекулярные маркеры или ДНК-фингерпринт, может картировать тысячи генов. Это позволяет селекционерам проверять большие популяции растений на предмет тех, которые обладают интересующим признаком. Скрининг основан на наличии или отсутствии определенного гена, определяемого лабораторными процедурами, а не на визуальной идентификации выраженного признака у растения. Целью селекции с помощью маркеров или анализа генома растения является определение местоположения и функции (фенотип ) различных генов в геноме. Если все гены идентифицированы, это приводит к последовательности генома. Все растения имеют разные размеры и длину геномов с генами, кодирующими разные белки, но многие из них одинаковы. Если местоположение и функция гена идентифицированы у одного вида растений, очень похожий ген, вероятно, также может быть найден в аналогичном месте в геноме другого родственного вида.
Гомозиготный растения с желаемыми признаками можно получить из гетерозиготных исходных растений, если можно получить гаплоидную клетку с аллелями для этих признаков, а затем использовать для получения удвоенного гаплоида. Удвоенный гаплоид будет гомозиготным по желаемым признакам. Кроме того, два разных гомозиготных растения, созданные таким образом, можно использовать для получения поколения F1 гибридных растений, которые обладают преимуществами гетерозиготности и более широким диапазоном возможных признаков. Таким образом, отдельное гетерозиготное растение, выбранное по его желательным характеристикам, может быть преобразовано в гетерозиготный сорт (гибрид F1) без необходимости вегетативного воспроизводства, но в результате скрещивания двух гомозиготных / удвоенных гаплоидных линий, полученных от изначально выбранное растение. Культивирование растительной ткани может дать гаплоидные или двойные гаплоидные линии и поколения растений. Это сокращает генетическое разнообразие, полученное от этого вида растений, чтобы выбрать желаемые черты, которые улучшат приспособленность особей. Использование этого метода снижает потребность в разведении нескольких поколений растений для получения поколения, однородного по желаемым признакам, тем самым экономя много времени по сравнению с естественной версией того же процесса. Существует множество методов культивирования тканей растений, которые можно использовать для получения гаплоидных растений, но культивирование микроспор в настоящее время является наиболее перспективным для получения наибольшего их количества.
Генетическая модификация растений достигается путем добавления определенного гена или генов к растению или путем отключения гена с помощью РНКи для получения желаемого фенотипа. Растения, полученные в результате добавления гена, часто называют трансгенными растениями. Если для генетической модификации гены вида или скрещиваемого растения используются под контролем их природного промотора, то они называются цисгенными растениями. Иногда генетическая модификация может дать растение с желаемым признаком или признаками быстрее, чем при классической селекции, потому что большая часть генома растения не изменяется.
Чтобы генетически модифицировать растение, генетическая конструкция должна быть сконструирована таким образом, чтобы ген, который нужно добавить или удалить, экспрессировался растением. Для этого в растение необходимо ввести промотор для управления транскрипцией и последовательность терминации для остановки транскрипции нового гена, а также ген или гены, представляющие интерес. Также включен маркер для отбора трансформированных растений. В лаборатории, устойчивость к антибиотикам является обычно используемым маркером: растения, которые были успешно трансформированы, будут расти на средах, содержащих антибиотики; растения, которые не были преобразованы, погибнут. В некоторых случаях маркеры для отбора удаляют путем обратного скрещивания с родительским растением перед коммерческим выпуском.
Конструкция может быть вставлена в геном растения с помощью генетической рекомбинации с использованием бактерий Agrobacterium tumefaciens или A. rhizogenes, или прямыми методами, такими как генная пушка или микроинъекция. Использование растительных вирусов для вставки генетических конструкций в растения также возможно, но этот метод ограничен диапазоном хозяев вируса. Например, вирус мозаики цветной капусты (CaMV) инфицирует только цветную капусту и родственные виды. Еще одно ограничение вирусных векторов состоит в том, что вирус обычно не передается потомству, поэтому необходимо инокулировать каждое растение.
Большинство коммерчески выпускаемых трансгенных растений в настоящее время ограничено растениями, которые обладают устойчивостью к насекомым вредителям и гербицидам. Устойчивость к насекомым достигается за счет включения гена из Bacillus thuringiensis (Bt), который кодирует белок, токсичный для некоторых насекомых. Например, хлопковый совок, обычный вредитель хлопка, питается Bt-хлопком, он проглотит токсин и погибнет. Гербициды обычно действуют, связываясь с определенными ферментами растений и подавляя их действие. Ферменты, которые ингибирует гербицид, известны как целевые участки гербицидов. Устойчивость к гербицидам может быть придана культурам путем экспрессии версии белка сайта-мишени, который не ингибируется гербицидом. Это метод, используемый для получения устойчивых к глифосату («Roundup Ready ») сельскохозяйственных культур.
Генетическая модификация может еще больше повысить урожайность за счет повышения стрессоустойчивости в данной среде. Стрессы, такие как колебания температуры, передаются растению через каскад сигнальных молекул, которые активируют фактор транскрипции для регулирования экспрессии гена. Было показано, что сверхэкспрессия определенных генов, участвующих в акклиматизации к холоду, вызывает большую устойчивость к замораживанию, что является одной из частых причин потери урожая
Генетическая модификация растений, которые могут производить фармацевтические препараты (и промышленные химикаты), иногда называемый фарминг, представляет собой довольно радикально новую область селекции растений.
Современное селекционирование растений, будь то классическое или с помощью генной инженерии, связано с вызывающие озабоченность вопросы, особенно в отношении продовольственных культур. Вопрос о том, может ли разведение отрицательно влиять на пищевую ценность, является центральным в этом отношении. Хотя прямых исследований в этой области было проведено относительно мало, есть научные указания на то, что, отдавая предпочтение определенным аспектам развития растения, другие аспекты могут быть замедлены. В исследовании, опубликованном в журнале Американского колледжа питания в 2004 г. и озаглавленном «Изменения данных о составе пищевых продуктов Министерства сельского хозяйства США для 43 садовых культур, 1950–1999 гг.», Сравнивался анализ питания овощей, проведенный в 1950 и 1999 гг. И обнаружил существенное уменьшение шести из 13 измеренных питательных веществ, включая 6% белка и 38% рибофлавина. Также было обнаружено снижение содержания кальция, фосфора, железа и аскорбиновой кислоты. В результате исследования, проведенного в Биохимическом институте Техасского университета в Остине, был сделан вывод: «Мы предполагаем, что любое реальное снижение, как правило, легче всего объяснить изменениями в культивируемых сортах между 1950 и 1999 годами, в которых наблюдается может быть компромиссом между урожайностью и содержанием питательных веществ. "
Дебаты вокруг генетически модифицированных продуктов питания в 1990-е годы достигли пика в 1999 году с точки зрения освещения в СМИ и восприятия риска и продолжаются сегодня - для Например, «Германия поддержала растущий европейский мятеж против генетически модифицированных культур, запретив посев широко выращиваемых устойчивых к вредителям сортов кукурузы». Дебаты охватывают экологическое воздействие генетически модифицированных растений, безопасность генетически модифицированных пищевых продуктов и концепции, используемые для оценки безопасности, такие как существенная эквивалентность. Такие опасения не новы в селекции растений. В большинстве стран действуют нормативные процессы, которые помогают гарантировать, что новые сорта сельскохозяйственных культур, поступающие на рынок, являются безопасными и удовлетворяют потребности фермеров. Примеры включают регистрацию сортов, схемы семян, регулирующие разрешения на ГМ-растения и т. Д.
Права селекционеров растений также являются серьезным и спорным вопросом. Сегодня в производстве новых сортов доминируют коммерческие селекционеры, которые стремятся защитить свою работу и получить гонорары в рамках национальных и международных соглашений, основанных на правах интеллектуальной собственности. Круг связанных вопросов сложен. Проще говоря, критики все более ограничительных правил утверждают, что за счет сочетания технического и экономического давления коммерческие селекционеры сокращают биоразнообразие и значительно ограничивают отдельных лиц (например, фермеров) в разработке и продаже семян на региональный уровень. Усилия по укреплению прав селекционеров, например, путем продления сроков охраны сортов, продолжаются.
При выведении новых пород или культурных сортов растений их необходимо поддерживать и размножать. Одни растения размножают бесполым путем, другие - семенами. Сорта, размножаемые семенами, требуют особого контроля над источником семян и производственными процедурами для поддержания целостности результатов селекции растений. Изоляция необходима для предотвращения перекрестного заражения родственными растениями или смешивания семян после сбора урожая. Изоляция обычно достигается расстоянием между посадками, но для некоторых культур растения помещаются в теплицы или клетки (чаще всего используются при производстве гибридов F1).
Критики органического сельского хозяйства утверждают, что оно слишком низкоурожайное, чтобы быть жизнеспособной альтернативой традиционному сельскому хозяйству. Однако отчасти такая низкая производительность может быть результатом выращивания плохо адаптированных сортов. Подсчитано, что более 95% органического сельского хозяйства основано на традиционно адаптированных сортах, даже несмотря на то, что производственная среда в органических и традиционных системах земледелия значительно отличается из-за их отличительных методов управления. В частности, у органических фермеров меньше ресурсов, чем у традиционных производителей, чтобы контролировать свою производственную среду. Селекция сортов, специально адаптированных к уникальным условиям органического сельского хозяйства, имеет решающее значение для реализации этого сектора в полной мере. Это требует отбора по таким признакам, как:
В настоящее время немногие селекционные программы направлены на органическое сельское хозяйство, и до недавнего времени те, которые действительно касались этого сектора, в основном полагались на косвенный отбор (т. Е. Отбор в традиционных средах по признакам, которые считаются важными для органического сельского хозяйства). Однако, поскольку разница между органическая и обычная среда велика, данный генотип может работать по-разному в каждой среде из-за взаимодействия между генами и окружающей средой (см. взаимодействие ген-среда ). достаточно серьезный, требуется важная черта поскольку органическая среда может не проявляться в обычной среде, что может привести к отбору плохо адаптированных особей. Чтобы гарантировать выявление наиболее адаптированных сортов, сторонники органической селекции теперь поощряют использование прямого отбора (то есть отбора в целевой среде) по многим агрономическим признакам.
Существует множество классических и современных методов селекции, которые можно использовать для улучшения сельскохозяйственных культур в органическом сельском хозяйстве, несмотря на запрет генетически модифицированных организмов. Например, контролируемые скрещивания между индивидуумами позволяют рекомбинировать желаемые генетические вариации и передавать их потомству через естественные процессы. Селекция с помощью маркеров также может использоваться в качестве диагностического инструмента для облегчения отбора потомства, которое обладает желаемым признаком (признаками), что значительно ускоряет процесс селекции. Этот метод оказался особенно полезным для внедрения генов устойчивости в новые фоны, а также для эффективного отбора множества генов устойчивости, объединенных пирамидой в одного человека. К сожалению, молекулярные маркеры в настоящее время недоступны для многих важных признаков, особенно сложных, контролируемых многими генами.
Чтобы сельское хозяйство процветало в будущем, необходимо внести изменения для решения возникающих глобальных проблем. Эти проблемы включают нехватку пахотных земель, все более суровые условия возделывания сельскохозяйственных культур и необходимость поддержания продовольственной безопасности, что предполагает возможность обеспечить население мира достаточным питанием. Культуры должны иметь возможность созревать в различных средах, чтобы обеспечить доступ во всем мире, что предполагает решение проблем, включая устойчивость к засухе. Было высказано предположение, что глобальные решения достижимы посредством процесса селекции растений с его способностью отбирать определенные гены, позволяющие культурам работать на уровне, который дает желаемые результаты.
С с увеличением населения необходимо увеличивать производство продуктов питания. По оценкам, к 2050 году необходимо увеличить производство продуктов питания на 70%, чтобы выполнить Декларацию Всемирного саммита по продовольственной безопасности. Но в связи с деградацией сельскохозяйственных земель простое выращивание сельскохозяйственных культур больше не является жизнеспособным вариантом. В некоторых случаях новые сорта растений могут быть выведены путем селекции растений, которые обеспечивают повышение урожайности, не полагаясь на увеличение площади земель. Пример этого можно увидеть в Азии, где производство продуктов питания на душу населения увеличилось вдвое. Это было достигнуто не только за счет использования удобрений, но и за счет использования более качественных культур, специально разработанных для этого района.
Селекция растений может способствовать глобальной продовольственной безопасности поскольку это рентабельный инструмент повышения питательной ценности кормов и сельскохозяйственных культур. Повышение пищевой ценности кормовых культур за счет использования аналитической химии и технологии ферментации рубца было зарегистрировано с 1960 года; Эта наука и технология дали селекционерам возможность проверять тысячи образцов за небольшой промежуток времени, а это значит, что селекционеры могли быстрее идентифицировать высокопроизводительный гибрид. Генетическое улучшение заключалось в основном в усвояемости сухого вещества in vitro (IVDMD), что привело к увеличению на 0,7-2,5%, при увеличении IVDMD всего на 1% один Bos Taurus, также известный как мясной скот, сообщил об увеличении дневного прироста на 3,2%. Это улучшение указывает на то, что селекция растений является важным инструментом для того, чтобы сельское хозяйство будущего работало на более продвинутом уровне.
Селекция гибридных культур стала чрезвычайно популярной во всем мире в борьбе с суровыми условиями окружающей среды. Из-за длительных периодов засухи и отсутствия воды или азота устойчивость к стрессу стала важной частью сельского хозяйства. Селекционеры сосредоточили свое внимание на определении культур, которые обеспечат урожайность в этих условиях; способ добиться этого - найти сорта культуры, устойчивые к засушливым условиям с низким содержанием азота. Из этого очевидно, что селекция растений имеет жизненно важное значение для выживания сельского хозяйства будущего, поскольку она позволяет фермерам выращивать устойчивые к стрессу культуры, тем самым повышая продовольственную безопасность. В странах с суровыми зимами, таких как Исландия, Германия и далее на восток в Европе, селекционеры занимаются селекцией на устойчивость к морозам, постоянному снежному покрову, морозно-засухе (высыхание от ветра и солнечной радиации под морозом) и высоким уровням влажности. в почве зимой.
Совместное выращивание растений (PPB) - это когда фермеры участвуют в программе улучшения сельскохозяйственных культур с возможностью принимать решения и вносить свой вклад в исследовательский процесс на разных этапах. Совместные подходы к улучшению сельскохозяйственных культур могут также применяться, когда биотехнологии растений используются для улучшения сельскохозяйственных культур. Местные сельскохозяйственные системы и генетическое разнообразие развиваются и укрепляются за счет улучшения сельскохозяйственных культур, в котором совместное улучшение сельскохозяйственных культур (PCI) играет большую роль. PPB подкрепляется знаниями фермеров о требуемом качестве и оценкой целевой среды, которая влияет на эффективность PPB.