Создавать и выращивать высокопродуктивные гибриды

 

 Хорошо известно, что селекция, семеноводство и технология – три основных рычага науки, определяющие величину продуктивности растений и рентабельности урожая. Это положение в полной мере относится и к сахарной свёкле с учётом того, что рентабельность сырья (корнеплодов) напрямую связана с рентабельностью производства сахара. Говорить об этом могу потому, что в области свекловодства мне пришлось потрудиться свыше 50 лет. На моих глазах менялись поколения свекловодов – учёных и практиков; в какой-то степени с моим участием изменились методы селекции.

 Да, было время (до начала 70-х годов), когда отечественные сорта занимали 100% всех посевов в Советском Союзе, но это была многосемянная свёкла. Последние 50 лет (конец 20-го – начало 21 века) оказались ареной борьбы, с одной стороны, сортов-популяций и межсортовых полигибридов (СССР), а с другой – межлинейных гибридов односемянной свёклы на базе цитоплазматической мужской стерильности (США и Западная Европа)

 Приходится признать, что российские популяционные материалы – сорта, фертильные гибриды, включая анизоплоиды, и различные варианты сортолинейных гибридов местного происхождения, несмотря на адаптацию к местным условиям, уступали по урожайности межлинейным гетерозисным гибридам иностранных фирм в конкурсном соревновании. Теория подтвердилась на практике: комбинационная способность на уровне линий лучше появляется, чем на уровне популяций. Ныне в России отечественными семенами засевается в лучшем случае 10-12% площадей, из которых половина приходится на семена зарубежного происхождения, обрабатываемые на российских семенных заводах.

 Причина такого положения хорошо известна: незнание иностранной литературы и, как следствие, отставание в методах работы, недостаток финансирования и, главное, изгнание генетики из биологической науки сыграли свою негативную роль. До сих пор помню, с каким трудом мне пришлось защищать первую в стране (1975 г.) докторскую диссертацию по генетике и селекции сахарной свёклы на гетерозис, убеждать в необходимости применения методов линейной селекции с использованием форм с ЦМС (цитоплазматическая мужская стерильность), «выбивать» деньги на изоляционные кабины, климатические камеры, культуру клеток и другое оборудование. К сожалению, развал страны не позволил завершить переход на межлинейные МС гибриды.

 В положении «догоняющего» отечественная селекция находится и сейчас: на Западе в производство уверенно пошли высокорентабельные гибриды сахарной свёклы, устойчивые к гербицидам, а в России ещё находятся учёные, называющие метод генной инженерии «богу неугодным делом» и воспринимающие аббревиатуру «ГМО» как чуть ли не брань.

 Что нужно делать для развития селекции сахарной свёклы в России?

 Конечно, речь не идёт о возврате к многосемянным или односемянным сортам-популяциям. Безвозвратно ушли в прошлое и различные варианты семенных мешанок, анизоплоидов (полугибридов), содержащих в популяции не более 50-60% гибридных семян и дающих рваные всходы. С полей уходят и сортолинейные гибриды на основе ЦМС, которые уступают по урожайности межлинейным гибридам, не дают достоверно гарантированную прибавку, что привело к потере интереса отечественных селекционеров к гетерозисной селекции.

 Этой ситуацией воспользовались зарубежные фирмы. Они начали поставлять в Россию, Украину, Белоруссию тщательно отобранные по генотипу и очень хорошо обработанные на семенных заводах дражированные семена межлинейных МС гибридов. К началу ХХ1 века импортные семена сахарной свёклы стали преобладать в посевах и в последние 5-7 лет почти полностью вытеснили российские гибриды.

 И в эти же годы генетики и селекционеры Европы и США совместно работали над самой злободневной проблемой: устойчивость растений свёклы к гербицидам, применяемым для борьбы с сорняками. В 1998 году провели первые опыты, в 2005 году зарегистрировали, а в 2007 году, в штате Вайоминг (США), впервые посеяли для коммерческих целей гибрид сахарной свёклы, который так и назвали: «Событие Н7 (GM RR)» - толерантный к раундапу (действующее вещество – глифосат). Это было, действительно, событие, начало новой эпохи в свекловодстве – генетическая биотехнология. Принципиально новая форма свёклы позволила использовать и новую технологию: в два раза сократить затраты на гербициды, уменьшить экологические риски для полезных насекомых и животного мира, сделать рентабельным процесс возделывания свёклы за счёт исключения ряда технологических операций, уменьшить затраты на покупку гербицидов и на услуги по их внесению (топливо, заработная плата, амортизация и др.)

 Генетическая биотехнология означает настоящий прорыв в селекции и агротехнике, который вполне сравним с созданием раздельноплодных (односемянных) форм сахарной свёклы. Новые гибриды и новая технология их возделывания распространились небывало быстрыми темпами. Так, в 2007 г. посевы коммерческих ГМ гибридов сахарной свёклы в США составляли всего 1000 га, а в 2011 году – более 500 000 га (95%). Почти каждый год любители «органической технологии» и «зелёные» пытались запретить через федеральный суд Америки использование новой формы свёклы, но фермеры при активной поддержке учёных отстояли свои права на рентабельную технологию.

 А что ожидает отечественное свекловодство? С одной стороны, продолжение экспансии зарубежных гибридов, не дающих семенное потомство, а, значит, и обрекающих отечественных производителей свёклы на полную зависимость от милостей зарубежных фирм. Стоимость коммерческих семян этих гибридов сахарной свёклы в США по российским меркам достаточно высокая. Ныне она составляет примерно $200 за 1 п.е. (260 долларов на гектар), а связи с увеличением спроса можно ожидать цены $300 за одну посевную единицу. Это означает, что на каждые 100 гектаров посева свёклы в России ежегодно придётся расходовать $25 000 – $30 000 или, по нынешним ценам, от 750 000 до 900 000 руб.!

Правда, затраты на зарубежные семена окупаются снижением расходов на приёмы ухода, покупку и внесение гербицидов, но рентабельность могла бы быть выше при использовании семян отечественного производства.

 С другой стороны – возрождение стремительно угасающей отечественной селекции, семеноводства и, в целом, всей отрасли свеклосахарного производства. Это означает, что отечественным учёным-свекловодам надо решительно переходить на освоение новых методов генетики, селекции и биотехнологии, совремённых приёмов выращивания и предпосевной обработки семян, защиты посевов от вредителей и болезней. Конечно, это не простая задача, но вполне решаемая. Мы убеждены, что новая биотехнология в России должна выстраиваться на отечественных семенах, которые будут значительно надёжнее и доступнее для потребителя.

 Есть ли в России возможность создавать и обеспечивать российские поля семенами отечественных ГМ-гибридов сахарной свёклы? Вопрос звучит несколько странно. Если можно выпускать космические корабли, то почему нельзя создавать высоко рентабельные гетерозисные гибриды, приспособленные для успешной борьбы с сорняками, позволяющие в два раза снизить гербицидную нагрузку на поля, снизить риски загрязнения природы и заболевания людей?

 Очень важно выбрать верное направление и точные методы генетики и селекции (генная инженерия и комбинационно ценные линии), надёжные приёмы выращивания и обработки семян, организовать контроль за состоянием и засорённостью поля, его инфекционным фоном, минимизировать затраты на выращивание корнеплодов и выход сахара. Всё это укладывается в общепринятые понятия об эффективности новых сортов (гибридов) и, в принципе, вполне осуществимо, если не будет отложено «на потом».

 Вместе с тем, России ещё предстоит преодолеть мифы об угрозе для здоровья людей сахара, получаемого из генетически модифицированной свёклы (из ГМ гибридов).

 Комплексные исследования по оценке безопасности корнеплодов и сахара из американской биотехнологической ГМ линии №77, устойчивой к глифосату, выполненные в Москве с участием ряда академиков и 52 специалистов по безопасности продуктов, (см. кн. «Генетически модифицированные источники пищи: оценка безопасности и контроль», стр.358-359, М. 2007 г.) показали полное отсутствие в линии элементов токсичности и её полную идентичность по корнеплодам и сахару-песку обычным образцам, выращенным по традиционной технологии выращивания свёклы. Иначе говоря, различия между ГМ гибридами и обычными гибридами сохраняются лишь до момента уборки и только по одному признаку: они более рентабельны в силу устойчивости к глифосату со всеми вытекающими отсюда последствиями. Корнеплоды и сахар из ГМ линии №77 давно были разрешены для применения в пищевой промышленности и реализации населению без ограничений: сахар не содержит ДНК, а следовательно, не может даже теоретически относиться к числу генно-модифицированных объектов (ГМО).

 Напомним, что корнеплоды этой линии никогда не завозили из США в Россию и, в отличие от гибридных семян F1, никогда не использовались для получения производства сахара в тех же Штатах. Дело в том, что рекомендованная для пищи в России американская линия 77, как и все линии свёклы, низкопродуктивная и возделывание её для получения сахара нерентабельно. А высокопродуктивный гибрид Н7, созданный на основе линии 77 (с её участием) в России не испытывался, не рекомендован для возделывания и не может использоваться на семенные цели, т.к. «ключ» к гибриду (семена линии О типа) американцы никогда не передадут нам в руки. Сам гибрид F1 (как и все «мулы») не даёт потомства. Вот почему нашей стране так необходимо создавать рентабельные ГМ-гибриды местного производства.

 В России возделывается около 1 млн. гектаров сахарной свёклы. Средняя урожайность по стране за два последних года составляет примерно 30 т/га, потенциальная урожайность 60 - 70 тонн/га. Производство сахара считается одной из рентабельных отраслей, но расходы на выращивание сахарной свеклы стремительно растут, что связано с закупкой дорогостоящих зарубежных семян, увеличением затрат на приобретение гербицидов и на услуги для их многократного внесения. К тому же, большие дозы внесения гербицидов при уходе за посевами чреваты увеличением риска нанесения вреда окружающей среде.

 Ныне отечественное свекловодство нуждается в высокопродуктивных рентабельных гибридах, позволяющих уйти от многократных баковых смесей гербицидов. Этим требованиям наиболее полно отвечают ГМ гибриды, создаваемые на основе специфических селекционных материалов методами генной инженерии. В случае создания и использования отечественных семян биотехнологических гибридов рентабельность возделывания сахарной свёклы возрастет за счет:

1. Снижения затрат на закупку семян (отказ от зарубежных в пользу отечественных);

2. Сокращения затрат на внесение гербицида: один раз глифосат, вместо многократного внесения 10-12 препаратов и приготовления трудоёмких баковых смесей;

3. Исключения ряда технологических операций (междурядное рыхление и др.);

4. Повышения урожайности за счёт более надёжного контроля сорняков, исключения механического травмирования растений свёклы при междурядной обработке и химического поражения при многократной обработке полей гербицидами;

5. Повышения сахаристости за счет улучшения условий роста для растений.

 

 Для информации. Широко применяемый для уничтожения сорной растительности гербицид глифосат подавляет синтез важнейших ароматических аминокислот, воздействуя на фермент 5-енолпирувил-шикимат-З-фосфатсинтетазу (сокращённо - ЕРSPS или ЕРSP-синтетаза) и таким образом «убивает» все растения.

 В сахаре, с его химической формулой сахарозы С12Н22О11 и полным отсутствием в нём ДНК, не могут содержаться какие-либо гены и, тем более, гены устойчивости к глифосату. У трансгенных растений свёклы донором гена sp4-epsps, кодирующим синтез фермента SР4 EPSPS (фермент синтеза аминокислот), обычно служит Agrobakterium tumefaciens strain SP4. Этот фермент устойчив к действию глифосата. Им-то и трансформируются линии сахарной свёклы с использованием специальной плазмиды, содержащей этот ген. Механизм трансформации так изменяет фермент SР4 EPSPS, что глифосат «не узнаёт» свою мишень, не соединяется с ним и свёкла остаётся толерантной к гербициду. Редуктаза глифосат-оксидаза (gox из Agrobacterium sp.) разлагает глифосат до аминометил-фосфоновой кислоты (АМРА), которая нетоксична для растений и не связана с образованием сахарозы у растений. Таким образом, сахар генетически модифицированных растений не может относиться к продуктам, содержащим ГМО. Это обычный сахар, как и любой другой, полученный из различных сортов и гибридов свёклы, биохимический состав и пищевое качество которого остаётся неизменным.

 

 Работа по созданию высокорентабельных биотехнологических ГМ гибридов и их использованию в коммерческих посевах включает в себя, примерно, следующие этапы:

 

Этап первый. Создание традиционными методами комбинационно-ценных линий, компонентов гибридов на основе ЦМС, обладающих специальными признаками (работа выполняется силами генетиков и селекционеров – далее селекционеры).

. Селекционеры-оригинаторы создают и предоставляют для агробактериальной трансформации семена компонентов гибрида. Помимо хозяйственно-ценных признаков (толерантность к болезням в поле и при хранении, нецветушность, выравненность корнеплодов, специфическая комбинационная способность и др.), компоненты гибридов должны характеризоваться другими важными генетическими признаками.

 1.1. Материнский компонент должен быть представлен простым гибридом (single cross) от разового скрещивания двух неродственных линий – МС1-линии и О2-типа. МС линии – аналоги линий О типа, должны обладать высокой СКС, наследовать высокую стерильность пыльников и односемянность. Линии О2-типа (иного происхождения) должны иметь высокую самосовместимость (лучше – самофертильность), полную раздельноплодность, 100%-закрепительную способность и СКС (специфическую комбинационную способность) и быть устойчивы к болезням.

 1.2. Отцовская форма гибрида F1 – это, как правило, многосемянные линии опылители. В качестве опылителей используются линии (для трёхлинейных гибридов) или простые гибриды от скрещивания двух линий – для двойных (даблкросс) межлинейных гибридов, одна из которых обладает ядерной мужской стерильностью. Должны сочетать высокую самосовместимость и перекрёстную совместимость, хорошую пыльцеобразовательную способность, высокую специфическую комбинационную способность.

 Этап второй. Традиционные методы селекции создания сортов/гибридов, устойчивых к гербицидам, очень длительны и мало результативны. Решение проблемы возможно только методами генной инженерии и только на специальных селекционных линиях.

Устойчивые к глифосату (Раундап или дженерики) культурные растения (Roundup Ready (RR) в большинстве случаев содержат полную копию гена EPSPS (по другому - EPSP-synthase) из почвенной бактерии Agrobacterium sp. strain CP4, или мутантные копии из других растений. В работе по созданию ГМ гибридов сахарной свёклы более предпочтителен метод агробактериальной трансформации.

Создание ГМ гибридов сахарной свёклы усложняется участием в гибриде не менее 4-х родительских компонентов, одни из которых наследуют признака толерантности к глифосату по классической схеме. Работа должна осуществляться в следующей последовательости:

2.1.Селекционеры передают биотехнологам линии, полученные после выполнения первого этапа работ;

2.2 Биотехнологии – генные инженеры, используя методы генной инженерии, получают на базе тех или иных из полученных линий гомозиготные трансгенные растения, в том числе несущие ген устойчивости к глифосату EPSPS;

2.3. Селекционеры отбирают из них наиболее типичные для исходной линии трансгенные суперрастения, проверяют на устойчивость к гербициду;

2.4.Биотехнологи микроклональным способом размножают укоренившиеся клоны отобранных трансгенных растений в необходимом количестве, для посадки в закрытый и открытый грунт и получения оригинальных семян, определяют экспрессивность гена;

2.5.Селекционеры-оригинаторы оценивают укоренившиеся клоны в условиях закрытого и открытого грунта по фенотипу и генотипу, в том числе по признакам самофертильности- самостерильности, пыльцеобразовательной, закрепительной способности, раздельноплодности и другим показателям, размножают лучшие линии.

Этап третий. Изучение линий и простых гибридов на устойчивость к Раундапу, продуктивность и комбинационную способность в питомниках предварительного испытания (работа выполняется силами селекционеров и биотехнологов)

 3.1. Размноженные в достаточном количестве клоны (в пределах 100 экз.) селекционеры размещают в изоляционные палатки (кабины) для скрещивания в различных вариантах. Полученные семена размножают в грунте, а потомства от них анализируют по хозяйственно ценным признакам в первый и второй год вегетации, синхронность цветения, пыльце-образовательную и закрепительную способность, раздельноплодность, семяпродуктивность, устойчивость к болезням и др., и ставляют лучшие родительские компоненты.

3.2. Биотехнологи осуществляют контроль наследования трансгенными линиями и простыми гибридами (Single cross) гена устойчивости к гербициду. Селекционеры-оригинаторы сравнивают с контролем фено- и генотипические изменения трансгенных линий, в условиях теплицы и в открытом грунте с применением обработки гербицидами линий-компонентов и гибридов.

 Этап четвёртый. Испытание базисных семян линий и пробных гибридов в карантинном питомнике по признаку биобезопасности, продуктивности и пригодности к новой, рентабельной, технологии возделывания (работа выполняется силами селекционеров, биотехнологов и агротехников).

 4.1. Предварительное размножение компонентов.

Сохранение генотипа компонентов в процессе репродуцирования осуществляется селекционерами – оригинаторами линий компонентов гибридов.

 4.2. Получение пробных партий гибридных семян F1.

Осуществляется селекционерами-оригинаторами путём гибридизации линий-компонентов гибридов в закрытом грунте и в полевых условиях по минизатратной технологии.

 4.3. Основное испытание МС гибридов с учётом новой технологии возделывания, анализ на биобезопасность и продуктивность.

 4.4. Передача ГМ гибрида в производственное (Государственное) испытание.

 

Этап пятый. Выращивание базисных семян и пробных гибридов F1, Госсортоиспытание на биобезопасность и продуктивность, включение лучшего гибрида в Госиспытание по рекомендуемым регионам свеклосеяния.

Работа выполняется селекционерами НИУ- оригинаторов гибрида. Госкомиссия по сортоиспытанию на специально выделенных участках с использованием специальных приёмов биотехнологии, соответствующих Генотипу гибрида, оценивает продуктивные качества гибрида и экономическую эффективность (рентабельность) новой технологии. Испытание на обычных участках недопустимо (несравнимо) и не даёт корректных результатов.

 

Этап шестой. Совершенствование технологии выращивания в производственных условиях. Закладка демонстрационных опытов. Включение в Национальный каталог селекционных достижений (селекционеры, менеджеры, специалисты Госкомиссии).

На второй-третий год госиспытания проводятся демонстрационные и производственные опыты с применением обычных и специальных технологий для ГМ гибридов. Работа завершается решением о включении (или не включении) ГМ-гибрида в Национальный Каталог с рекомендациями специальных (рентабельных) приёмов биотехнологии.

 

Этап седьмой. Выращивание гибридных семян F1 в южных зонах семеноводства. Организация семеноводства ГМ гибридов (менеджеры при участии селекционеров)

Заключаются договора и проводится работа по размножению в чистоте материнского (односемянный простой МС–гибрид) и отцовского (многосемянная линия) компонентов в НИУ и выращивание гибридов F1 с целью получения заготовляемых семян и их транспортировка на семзавод в Россию для доведения до посевных кондиций.

Предпосевная обработка семян на семзаводе с использованием современного оборудования. Работа выполняется усилиями специалистов Инвестора.

Три последних этапа (5,6 и 7) выполняются после завершения генетико-селекционного цикла работ. Выращивание пробных гибридов, оценка на биобезопасность, испытание на продуктивность и последующее выращивание коммерческих семян ГМ-гибрида – это начало разработки новой биотехнологии производства сахарной свёклы.

 Всё вышеизложенное можно рассматривать как первые наброски будущего плана создания отечественных рентабельных гибридов и биотехнологии их производства.

Создание отечественных ГМ-гибридов сахарной свёклы будет реальным вкладом в выполнение Целевой комплексной программы по биотехнологии («Биотехнология 2020»).

 

Иван Балков, главный научный сотрудник-консультант Кубанской ССС, РАСХН, профессор, д.б.н.