Концептуальная модель оптимального фотосинтетического типа растения пшеницы характеризуется следующими признаками:
на уровне фотосистем - увеличением активности “гипотетического” реакционного центра фотосистемы II;
на уровне хлоропласта – активацией первичных процессов преобразования световой энергии, высокой степенью сопряженности восстановительных процессов с синтезом АТФ, возрастанием скорости циклического и, в значительной мере – нециклического фотофосфорилирования, повышением функциональной активности единичного хлоропласта;
на уровне листа – активацией первичных систем ассимиляции углекислоты - РБФКО, - и интенсивности поглощения углекислоты листом на фоне усиленного оттока, осуществлении фотосинтетической деятельности как основы высокой продуктивности у оптимального фотосинтетического типа растения пшеницы.
Концептуальная модель оптимального фотосинтетического типа растения пшеницы с высокой продуктивностью позволила подойти к включению фотосинтетических технологий в селекционный процесс и созданию сортов с высокоактивным фотосинтетическим аппаратом. Разработанная модель также может являться средством для разработки программ молекулярных и генетических манипуляций фотосинтезом, создания трансгенных растений и С3-С4 интермедиатов с повышенной эффективностью фотосинтетического аппарата и устойчивостью к абиотическим стрессам.
Использование гаметоцидов в гетерозисной селекции.
С созданием эффективных химических гаметоцидов начался новый этап в их селекции и производственном использовании. В США компанией Rohm and Haas и в Великобритании компанией Shell синтезированы химические гаметоциды (WL 84811 и PH 0007), подавляющие развитие только мужских гамет. С их помощью в США, Великобритании, Франции, Италии и ряде других стран получено большое количество гибридов пшеницы, дающих устойчивую прибавку урожая (15—20%) по сравнению с современными высокопродуктивными сортами. При биологической стерилизации пыльцы на основе ЦМС период создания гибридов пшеницы сокращается с 10—12 до 3—4 лет. Гаметоциды перспективны также для ячменя, риса, ржи и других культур (Федин, Кузнецова, 1977)
Исследования, проведенные по данной проблеме, позволили установить изменения метаболических процессов, происходящих в растительном организме в результате воздействия растворов химических соединений, обладающих гаметоцидной активностью. Было показано, что эффект гаметоцидов по своему действию на проницаемость клеточных мембран аналогичен эффекту стерилизующей цитоплазмы при перемещении в нее ядра. Иными словами, применение этих препаратов вызывает мужскую, а порой и частично женскую стерильность.
Для создания мужских стерильных растений пшеницы и других культур в нашей стране были испытаны некоторые химические соединения — этрел, гидразид малеиновой кислоты, нафтилуксусная кислота и др. (Федин, Кузнецова, 1977). В реализации эффекта гетерозиса у зерновых, особенно пшеницы и других культур, важным является поиск эффективных гаметоцидов, обеспечивающих 100%-ю стерильность мужского гаметофита при обработке посевов и не проявляющих отрицательных побочных действий (задержка прохождения фенологических фаз у растений и др.). Применение гаметоцидов позволяет снизить затраты, сократить сроки, упростить схемы производства семян гибридов и в конечном счете обеспечивает рост продуктивности и стабильности урожая зерновых культур (благодаря более широкому использованию гетерозиса).
Во ВНИИСБ ведутся исследования цитоплазматической мужской стерильности с помощью методов генной инженерии. Генетически обусловленная мужская стерильность позволяет исключить ручную кастрацию при скрещивании, что значительно облегчает и удешевляет селекционную работу и массовое производство гетерозисных гибридных семян. Изучаются молекулярные основы ЦМС кукурузы S(M) — типа, широко используемого селекционерами России, Украины, Молдавии. Показано, что стерильность обусловлена экспрессией плазмы — автономного генетического элемента митохондрий кукурузы S-типа. Установлено строение участка ДНК, ключевого для развития ЦМС. Исследуется особенность экспрессии этого фрагмента и его взаимодействие с другими элементами, необходимыми для ЦМС. Полагают, что генно-инженерную мужскую стерильность можно будет вызывать не только у растений кукурузы, но и у представителей многих других сельскохозяйственных культур, для которых актуальна задача получения гетерозисных гибридов.
Методы биотехнологии в селекции на продуктивность.
За последние 20 лет биотехнология, используя рекомбинантные (полученные за счет объединения вместе не встречающихся в природе фрагментов) ДНК, превратилась в неоценимый новый научный метод исследования и производства продукции сельского хозяйства. Рекомбинантная ДНК позволяет селекционерам отбирать и вводить в растения гены «поодиночке», что не только резко сокращает время исследований по сравнению с традиционной селекцией, избавляя от необходимости тратить его на «ненужные» гены, но и дает возможность получать «полезные» гены из самых разных видов растений. Эта генетическая трансформация сулит огромную пользу для производителей сельскохозяйственной продукции, в частности, повышая устойчивость растений к насекомым-вредителям, болезням и гербицидам. Дополнительные выгоды связаны с выведением сортов, более устойчивых к недостатку или избытку влаги в почве, а также к жаре или холоду — основным характеристикам современных прогнозов грядущих климатических катаклизмов. Наконец, немалую выгоду может получить от биотехнологии и непосредственно потребитель, поскольку новые сорта обладают более высокими питательными свойствами и другими характеристиками, сказывающимися на здоровье (Борлауг, 2001).
Новые сорта трансгенных растений достаточно быстро завоевывают популярность в среде производителей. Это — пример наиболее быстрого распространения (как результатов, так и методов) во всей многовековой истории сельского хозяйства. В период с 1996 по 1999 год площади, засеянные трансгенными сортами основных продовольственных культур, увеличились почти в 25 раз (с 1,7 до 40 млн га).
В ряде стран (США, Япония, Канада, Великобритания, Франция, Китай и др.) уже нашли широкое практическое применение методы клеточной селекции при создании новых форм растений путем выделения мутантных клеток и сомаклональных вариаций в селективных условиях. Полученные с использованием этих методов сорта характеризуются улучшенным качеством, повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям внешней среды и вредным организмам. В нашей стране с помощью методов культуры клеток, тканей и органов созданы первые отечественные сорта ячменя: Исток, Одесский 115, Прерия, Степной дар (бывш. ВСГИ), Биос 1, Рамос, Рахат (НИИСХ ЦРНЗ совместно с другими НИИ); риса Биориза (ВНИИ риса); озимой пшеницы Смуглянка (ПНИИЖБ). Срок выведения этих сортов был сокращен на 4—6 лет.
Зерновые и злаковые кормовые культуры являются еще трудным объектом для генной инженерии, прежде всего, в связи с отсутствием надежных векторных систем для введения генов в геном их клеток. Поэтому одновременно ведется разработка методов прямого переноса генов в клетки растений для получения устойчивых форм к стрессовым факторам, болезням и вредителям (США, ФРГ, Испания, Франция и др.).
Одной из важнейших областей применения методов генной инженерии в растениеводстве является биологическая фиксация азота как бобовых, так и небобовых культур (рис, кукуруза, пшеница, сорго). Эти исследования ведутся в США, Великобритании, Индии и других странах. Учитывая, что система фиксации азота требует больших энергетических затрат, в перспективе предусматривается возможность соединения у растений молекулярных механизмов азотфиксации и фотосинтеза в единую сопряженную систему, способную использовать для восстановительных реакций непосредственно лучистую энергию.
В ряде стран (США, Япония, Канада, Великобритания, Франция, Китай и др.) уже нашли широкое практическое применение методы клеточной селекции при создании новых форм растений путем выделения мутантных клеток и сомаклональных вариаций в селективных условиях. Полученные с использованием этих методов сорта характеризуются улучшенным качеством, повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям внешней среды и вредным организмам. В нашей стране с помощью методов культуры клеток, тканей и органов созданы первые отечественные сорта ячменя: Исток, Одесский 115, Прерия, Степной дар (бывш. ВСГИ), Биос 1, Рамос, Рахат (НИИСХ ЦРНЗ совместно с другими НИИ); риса Биориза (ВНИИ риса); озимой пшеницы Смуглянка (ПНИИЖБ). Срок выведения этих сортов был сокращен на 4—6 лет. Получены также формы ячменя и пшеницы (ИФР, MCXA, ВНИИСБ), люцерны и клевера лугового (ВНИИ кормов), сахарной свеклы (ВНИИСС), льна (ВНИИЛ), устойчивые к стрессовым факторам и болезням.
В 1993 году были проведены совместные исследования Россия - США по созданию высокопродуктивных гибридов кукурузы, способных размножаться по механизму апомиксиса, то есть давать семена бесполым путем. Сейчас передовые исследования в этой области ведут ученые из лаборатории цитологии и апомиксиса растений Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН в Новосибирске.
Первый в мире проект по созданию апомиктичного коммерческого сорта у культурных растений был объявлен и начат в СССР в 1958 году. Его автор - профессор Д. Ф. Петров, создавший для выполнения данного исследования лабораторию цитологии и апомиксиса растений в только что организованном Институте цитологии и генетики Сибирского отделения Академии наук. Однако идея закрепления гетерозиса через размножение, исключающее сегрегацию генов, принадлежит М. С. Навашину и Г. Д. Карпеченко. Получение апомиктов планировалось на важнейшей сельскохозяйственной культуре - кукурузе. В работе, начатой Д. Ф. Петровым, использовали несколько подходов. Один из них оказался продуктивным и продолжается в России, а также в США, во Франции, в Мексике до настоящего времени. В этом исследовании передачу Zea mays L.-Zm апомиктического способа репродукции осуществляли от ее дикого сородича - трипсакума (Tripsacum dactyloides L.-Td) путем гибридизации. Сравнительный анализ традиционных сортов кукурузы и апомиктов выявил следующие признаки превосходства апомиктичных гибридов: урожай зеленой массы, высокое содержание в ней протеина и других переваримых компонентов, содержание в семенах полиненасыщенных жирных кислот, устойчивость растений к засухе, переувлажнению и засолению почвы. Эти несомненные преимущества позволили бы уже сейчас использовать гибриды в качестве фуражной культуры. Однако пока они не могут давать семян из-за полной мужской стерильности (апомиктам необходимо оплодотворение центральной клетки, иначе зерновки не развиваются). Чтобы получить потомство от гибридов, приходится рядом высевать кукурузу в качестве опылителя. Подбором опылителей и других факторов удалось добиться 50-процентной фертильности, что с учетом большого числа початков на растениях-гибридах позволяет им конкурировать по семенной продуктивности с кукурузой. Российская апомиктичная кукуруза уже запатентована в США и в 11 других странах (Соколов, 1999).