CC BY
773
УДК 633/636:57.085.2
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ БИОТЕХНОЛОГИИ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ СЕКТОРЕ СТРАНЫ
С.Л.РАСТОРГУЕВ, доктор сельскохозяйственных наук, зав. кафедрой
А.Н. КВОЧКИН, кандидат сельскохозяйственных наук, профессор
Мичуринский ГАУ
Н.В.СОЛОВЫХ, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник
ВНИИ генетики и селекции плодовых культур им. И.В.Мичурина
E-mail: info@mgau.ru
Резюме. В статье приводится анализ перспективности использования биотехнологических методов, направленных на решение проблемы повышения интенсификации агропромышленного комплекса страны.
Ключевые слова: биотехнология, методы, клеточные технологии, генная инженерия.
Одна из первоочередных проблем современности, требующая скорейшего решения - продовольственная.
Во второй половине ХХ столетия проблему повышения продуктивности сельского хозяйства стремились решать путем химизации, мелиорации и механизации. Это привело к загрязнению окружающей среды, потере плодородного слоя почвы (засоление, эрозия, уплотнение и нарушение структуры пахотного слоя), удорожанию единицы продукции и др. Оказалось, что обеспечить население продуктами питания с помощью традиционных приемов довольно сложно. Необходимы принципиально новые подходы, оригинальные разработки, которые в перспективе позволили бы не только повысить продуктивность культурных растений и животных, но и были бы низкозатратными, экологически безопасными. К числу таких направлений решения назревших проблем относится биотехнология, которая в концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 г., признана одним из приоритетных направлений инновационной экономики.
Суть биотехнологии состоит в эффективном управлении биологическими процессами растений, животных и микроорганизмов для массового производства высокополезных для человека продуктов.
Из биотехнологических методов наиболее широкое распространение в отечественном сельском хозяйстве получил приём клонального микроразмножения и оздоровления растений. Клональное микроразмножение in vitro позволяет в короткие сроки размножать ценные генотипы, что можно использовать как непосредственно в производстве, так и для ускорения селекционного процесса. Среди других преимуществ метода можно назвать миниатюризацию процесса, которая позволяет сократить площади, занятые размножаемыми растениями; а также возможность получения посадочного материала тех растений, которые плохо или совсем не размножаются обычными способами. Так, включение клонального микроразмножения в технологию производства рассады перспективных сортов земляники повышает рентабельность производства, по сравнению с традиционными методами, примерно в 2 раза [11].
Ускоренное размножение in vitro в сочетании с термо-или хемотерапией используют для оздоровления растений от вирусных или микоплазменных заболеваний. Такие работы широко проводятся в нашей стране с плодовыми,
ягодными, овощными растениями, картофелем и др. Это позволяет не только добиваться роста урожайности, но и существенно повышать устойчивость растений к неблагоприятным воздействиям окружающей среды (экстремальные температуры, избыточное засоление почв и др.), что приобретает особое значение в связи с наблюдаемым в последние годы изменением климата и ухудшением экологической обстановки. Закладка насаждений оздоровленным посадочным материалом дает возможность существенно сократить число обработок растений пестицидами и повысить урожайность, например ягодников на 15...35 % [1, 2].
К сожалению, в последние годы это направление переживает упадок, что связано с недостаточной разработанностью законодательной базы, регламентирующей производство, сертификацию и реализацию посадочного материала на территории Российской Федерации. Частично эта проблема решается в изданых методических указаниях по получению безвирусного посадочного материала плодовых и ягодных культур, где терминология и списки регламентирующих вирусов, вирусоподобных агентов и их переносчиков приведены в соответствие с общеевропейскими [6].
Определённые успехи достигнуты в работах по клеточной биотехнологии на устойчивость к стрессорам, эмбриокультуре, индукции сомаклональных вариантов, экспериментальной гаплоидии и др.
Применяя селекцию на уровне клеток и тканей, можно отбирать большое количество растительного материала в малом объёме и строго контролируемых условиях, что позволяет существенно ускорить процесс получения хозяйственно ценных форм растений. Таким способом проводят отбор на соле-, жаро-, засухо- и холодоустойчивость, устойчивость к патогенам, гербицидам и др. Это позволяет сократить площади под экспериментальными насаждениями, а также затраты на создание новых сортов примерно в 2 раза [17]. Важное преимущество клеточной селекции - отсутствие скрещиваний и следовательно изменения основных хозяйственных свойств генотипов. Сорта улучшают по отдельным признакам, которые определяют реакцию на действие конкретных стрессоров.
Методами клеточной инженерии созданы формы сельскохозяйственных растений с повышенной устойчивостью к наиболее вредоносным заболеваниям и неблагоприятным воздействиям внешней среды. Значительные успехи в этой сфере достигнуты на однолетних и двулетних культурах (пшеница, ячмень, картофель, рис, люцерна, лен и др.) [3, 4, 7, 10], ведутся работы в лесоводстве [9]. В садоводстве подобных исследований сравнительно немного. Так, во ВНИИГиСПР им. И.В.Мичурина проводятся работы по клеточной селекции ягодных культур родов Rubus и Fragaria на устойчивость к биотическим и абиотическим неблагоприятным воздействиям. Получены растения земляники, обладающие повышенной, по сравнению с исходными сортами (Урожайная ЦГЛ, Фейерверк и Золушка), устойчивостью к отдельным патогенам (Phytophthora cactorum Leb. et Gohn, Botrytis cinerea Pers), а также растения земляники, ежевики, малины красной и малино-ежевичных гибридов, которые превосходят исходные формы по устойчивости к хлоридному засолению [13].
Определённые успехи в этом научном учреждении достигнуты в селекции гаплоидов in vitro у некоторых представителей плодовых и ягодных культур [12], что позволяет Достижения науки и техники АПК, №12-2010
выделять константные, нерасщепляющиеся гомозиготные линии, для получения которых методами традиционной селекции требуется длительный инбридинг Скрещивание таких линий, как правило, приводит к гетерозисному эффекту. Однако для плодовых культур метод массового получения гаплоидов пока не разработан.
В Мичуринском ГАУ экспериментально установлена эффективность метода эмбриокультуры в решении проблемы преодоления в разной степени выраженного бесплодия отдаленных гибридов сливы. В результате применения культуры изолированных зародышей от стерильных и слабоплодовитых гибридов получены растения F2. Среди сеянцев выделены формы со сдержанным ростом, высота которых в пятилетнем возрасте не превышала 1 м, а также образцы с высокой зимостойкостью. Использование метода эмбриокультуры позволило индуцировать из каждого зародыша яблони по несколько дополнительных побегов (в среднем от 7,2 до 3,1 шт.). Это способствует увеличению выхода однородных сеянцев и сохранению ценных генотипов, что особенно важно в исследованиях по отдаленной гибридизации [11].
Культивирование изолированных соматических групп клеток (особенно каллусных) и регенерация из них целых растений дает возможность индуцировать сомаклональную изменчивость, которая основана на спонтанных генетических изменениях, возникающих в выращиваемых in vitro клетках. Благодаря этому можно получать улучшенные растения без использования методов традиционной селекции и без переноса чужеродных геномов. Сомаклоны характеризуются комплексом изменений, затрагивающих структуру генома, хромосом и генов. Одна из общих черт этой изменчивости - повышенная нестабильность карио-типов [10].
Анализ растений-регенерантов, полученных в каллусной культуре некоторых сортов земляники показал значительную изменчивость таких признаков, как количество цветоносов (V=26,4 %) и ягод (V=22,6 %) на растении, которая сохранялась в R1 и R2 вегетативном поколениях в течение 4 лет наблюдений, что, возможно, обусловлено фенотипическим выражением непостоянства ядерного генома клетки. Изменчивость некоторых признаков у растений, индуцированных в культуре изолированных тканей имеет генетическую или эпигенетическую природу и сохраняет фенотипическое проявление при вегетативном размножении, что указывает на возможность их использования для ускорения селекции [11].
Создание в культуре in vitro имитации солевого стресса дало возможность отобрать путем одноступенчатой селекции колонии каллусных клеток сортов малины, пролиферирующих на селективных средах с NaCl в концентрации 0,04...0,17 М. Ступенчатая селекция позволила провести скрининг тканевых линий в условиях критической для роста клеток концентрации солевого стрессора (0,26 М). Отбор каллусных культур, устойчивых к высоким концентрациям селективного агента, целесообразно осуществлять на питательных средах с постепенно увеличивающейся дозой NaCl (0,04 ^ 0,09^ 0,17^ 0,26 М) [11].
Генная инженерия растений сегодня одно из наиболее перспективных направлений селекции. Как отмечает академик В.С. Шевелуха [14], эпифитотии и массовое распространение вредителей ежегодно в России поражают большие территории и приводят к снижению валовой продукции растениеводства более чем на 30 %. Только традиционными методами селекции добиться коренного перелома в этой ситуации невозможно. Расширение же применения химических методов борьбы с вредителями и болезнями приведет к увеличению пестицидной нагруз-
Достижения науки и техники АПК, №12-2010 —
ки. С помощью генной инженерии можно существенно изменить экологическую ситуацию в растениеводстве в лучшую сторону. Узкое место в исследованиях в этом направлении отсутствие национального банка эффективных генов, детерминирующих высокую комплексную устойчивость растений к эпифитотийным патогенам и важнейшим абиотическим стрессам, а также недостаток или отсутствие современных приборов и оборудования.
В России нет ни одного разрешенного для использования в производстве трансгенного объекта. Продолжается дискуссия о возможной опасности трансгенных растений для здоровья человека. Действительно, закономерности экспрессии генов в связи с изменением их положения и совместным действием изучены еще не достаточно полно. Поэтому определенный риск в использовании ген-номодифицированных растений все таки существует. Но тщательный контроль за возможным образованием токсичных или аллергенных белков у трансгенных организмов в лабораториях вполне может гарантировать безопасность потребителя.
Учитывая особое значение и перспективность методов биотехнологии в Мичуринский ГАУ создан Центр коллективного пользования (ЦКП) «Селекция сельскохозяйственных культур и технологии производства продуктов питания функционального и лечебно-профилактического назначения» [8]. В концепции его развития на 20092012 гг большое внимание отводится поисковым научноисследовательским работам в области селекции овощных, плодовых и других важных сельскохозяйственных культур, в том числе на основе методов биотехнологии, трансгеноза, ДНК-маркеров для получения продуктов питания функционального и лечебно-профилактического назначения. С 2009 г с ЦКП активно сотрудничают лаборатории Филиала Института биоорганической химии имени акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (РАН). На сегодняшний день разработаны методы оздоровления и ускоренного размножения in vitro новых сортов плодовых и ягодных культур, а также отобранных в ходе селекции особо ценных элитных форм клоновых подвоев яблони. В результате проведённых исследований будут созданы формы клоновых подвоев яблони, устойчивые к полевым концентрациям гербицидов сплошного действия, а также томата с пролонгированным сроком хранения плодов и с экспрессией суперсладкого белка тауматина.
В последние годы в нашей стране получили развитие исследования по применению биотехнологических методов в животноводстве [15, 16]. Так, в центре биотехнологии ВИЖ получена группа свиней с интегрированным специфическим геном-фактором гормона роста, что приводит к более быстрому росту животных и увеличению содержания белка в туше. Ведутся исследования направленные на получение трансгенных животных, генетически устойчивых к инфекционным заболеваниям. Созданы трансгенные кролики, свыше 10-и поколений которых резистентны к зарожению лейкозом, что в дальнейшем может помочь в борьбе с этим заболеванием крупного рогатого скота.
Проводятся перспективные исследования по созданию трансгенов, продуцирующих биологически активные вещества (БАВ), необходимые в медицине, ветеринарии и пищевой промышленности. Например, получены овцы синтезирующие хинозин в молочной железе. В своих исследованиях ученые все чаще используют методы молекулярной генетики для изучения генотипа сельскохозяйственных животных и картирования генома, что позволит повысить эффективность селекции.
В области клеточной инженерии проводятся эксперименты по изучению биологических параметров гибридных
----------------------------------------------- 9
клетокживотных сельскохозяйственного назначения, харак- Академик А.А. Жученко [5] отмечает, что радужные надежды
теризующихся редкими и уникальными свойствами. Ученые на биотехнологию и многообещающие заявления некоторых
интенсивно исследуют процессы культивирования ранних ее представителей позволяют значительной части общества
эмбрионов вне организма, проблемы их трансплантации уклоняться отрешениякардинальныхсоциально-экономических
криосохранения и др. и экологических проблем в сельском хозяйстве.
Приведенные примеры свидетельствуют о перспективно- Выводы. С каждым годом интерес к биотехнологии в
сти и эффективности применения биотехнологий в решении мире все больше возрастает. Это связано не только с рас-
проблемы повышения интенсификации растениеводства и ширением использования таких методов в решении многих
животноводства. Вместе с тем на прошедших в конце 2009 г. фундаментальных вопросов биологии, но и с возможноПарламентских слушанияхпо биотехнологии в Государствен- стями прикладного использования принципиально новых
ной Думе ФС РФ было указано на слабое освоение современ- трансгенных клеточных технологий в растениеводстве и
ных биотехнологий в агропромышленном комплексе страны. животноводстве.
Литература.
1. Бутенко Р.Г. Биология клеток высших растений in vitro и биотехнологии на ихоснове: Уч.пособие. М.: ФБК- ПРЕСС, 1999. - 160 с.
2. Власов Ю.И., Ларина Э.И. Сельскохозяйственная вирусология. М.: Изд-во Колос, 1982. - 238 с.
3. Гладков Е.А. Биотехнологические методы получения растений, устойчивых к тяжелым металлам 2. Получение растений, толерантных к ионам кадмия и свинца // Биотехнология. - 2006. - №4. - С. 87-91.
4. Джос Л., Калашникова Е.А Клеточная селекция пшеницы на устойчивость к септориозу,// Биология клеток растений in vitro, биотехнология и сохранение генофонда: Тез. докл. VII Междунар. конф. - М., 1997. - С. 317.
5. Жученко А.А. Роль растениеводства в век биологии и экономики знаний // Вестник РАСХН. - 2006. - №1. - С. 3-6.
6. Кашин В.И., Борисова А.А., Приходько Ю.Н. и др. Технологический процесс получения безвирусного посадочного материала плодовых и ягодных культур: Методические указания.М.: ВСТИСП, 2001. - 108с.
7. Кучеренко Л.А., Харченко П.Н., Ковалёва Е.Н. Использование методов биотехнологии в селекции риса, // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственной биотехнологии: Мат. Всес. конф. - Ленинград, 1986. - С.92 - 96.
8. Мешков А.В., Долгов С.В.Селекция агрокультур и технологий производства продуктов питания//Нанотехнологии. Экология. Производство.2010. - №6. - С. 61
9. Петрова Г.А., Калашникова Е.А. Применение методов клеточной биотехнологии для сохранения биоразнообразия осины (Populus tremula L.y/ВестникКазанского ГАУ. - 2008. - Т. 7. - №1. - С.147-150
10. Рассадина Г.В. Хромова Л.М., Бутенко Р.Г, и др. Клеточная селекция на устойчивость к кольцевой гнили картофеля: оптимизация оценки устойчивости сомаклональных линий картофеля к кольцевой гнили // Биология культивируемых клеток и биотехнология растений. - М.: Наука, 1991. - С.133-137.
11. Расторгуев С.Л. / Культура изолированных тканей и органов в селекции плодовых растений. Мичуринск - Наукоград РФ. Изд.-во МичГАУ, 2009. - 170 с.
12. Савельев Н.И., Олейникова О.Я. Культура in vitro пыльников яблони: достижения и перспективы: Мат. конф./Современные достижения биотехнологии в виноградарстве и других отраслях сельского хозяйства. Новочеркасск, 2005. - С.42-47.
13. Соловых Н.В. Использование биотехнологических методов в работе с ягодными культурами: Методические рекомендации. Мичуринск - Наукоград РФ. Изд-во МичГАУ, 2009. - 48 с.
14. Шевелуха В.С. Применение достижений биотехнологии и биоинженерии в агропромышленном производстве //Сельскохозяйственная биотехнология. М.: Высш.шк., 2003. - С. 420-433.
15. ЭрнстЛ.К. Фундаментальные и прикладные проблемы сельскохозяйственной биотехнологии // Вестник РАСХН. - 2006.
- №1. - С. 9-11.
16. ЭрнстЛ.К. Роль биологии в развитии животноводства в XXI веке.////Достижения науки и техники АПК. - 2008. - №10. - С. 7-8
17. Evans D.A., Sharp W.R., Medina - Filho P. Somaclonal and gametoclonal variation //Am. J. Bot. - 1984. - vol. 71. - P. 759 -774.
APPLICATION OF BIOTECHNOLOGICAL METHODS IN AGROINDUSTRIAL SECTOR OF THE
COUNTRY
S.L. Rastorguev, A.N. Kvochkin, N.V. Solovykh
Summary. In the article it is made the analysis of perspective of application of biotechnological methods in plant growing and animal husbandry, directed to solve the problem for increasing of intensification in agroindustrial complex of the country. Key words: biotechnology, methods, cell technologies, genetic engineering.
УДК 633.14 : 631.52: 571.16 (091)
СЕЛЕКЦИОННАЯ РАБОТА С ОЗИМОЙ РОЖЬЮ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ СЕВЕРА ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
П.Н. БРАЖНИКОВ, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. сектором
Сибирский НИИ сельского хозяйства и торфа E-mail: sibniit@mail.tomsknet.ru
Резюме. В статье изложены результаты многолетней селекционной работы с озимой рожью. С использованием коллекционных образцов получен гибридный ма-
10 -------------------------------------------------
териал нового поколения, сочетающий продуктивность и качество зерна с адаптивностью. В частности гибридные сорта-популяции Изолятор 3/91 и Изолятор 2/96 характеризуются достаточно высокой урожайностью (40,9 и 42,4 ц/га соответственно) и толерантностью к неблагоприятным условиям произрастания. Ключевые слова: селекция, гибридные популяции, устойчивость к стрессам, гибридизация, короткосте-бельность, урожайность.
— Достижения науки и техники АПК, №12-2010
