Ученые Курчатовского геномного центра нашли способ сократить срок выведения сорта пшеницы с заданными характеристиками с 15 до шести лет. Например, специалисты уже справились с задачами усилить иммунитет растений к болезням, увеличить содержание клейковины в зерне, на пять дней уменьшить срок созревания. Для сокращения срока создания нового сорта ученые использовали современные технологические методы геномной селекции. Это перспективный способ, позволяющий ввести в геном пшеницы гены от диких сородичей и улучшить характеристики культуры, пояснили эксперты.
В разы быстрее
Специалисты Курчатовского геномного центра внедряют новые технологии, чтобы существенно сократить время селекции пшеницы со свойствами, нужными агрономам. Они смогли уменьшить сроки создания генетических линий, которые, по сути, являются прародителями будущих сортов, с шести-семи до двух лет. Таким образом, время, необходимое для селекции нового сорта, сократится с 15 до шести лет. Первым результатом применения нового подхода станет создание сорта пшеницы, который будет обладать повышенным содержанием клейковины и высокой устойчивостью к болезням.
Клейковина, которую также называют глютеном, — это белок, содержащийся в зерне и характеризующий качество хлеба из пшеницы. Чем выше содержание клейковины, тем дороже зерно и выше качество выпечки. Глютен обеспечивает клейкость и вязкость теста. Обогащенная им мука из мягких сортов пшеницы позволяет печь пышный хлеб, а макароны и тесто для пиццы с высокой долей этого вещества приобретают нужную эластичность. Также клейковина широко используется в качестве полуфабриката для производства продуктов питания, например колбас.
Разработкой эффективных методов селекции в ИЦиГ СО РАН, организации — участнике консорциума «Курчатовский геномный центр», занимаются уже больше 10 лет. За это время порядок проведения экспериментов отработан до мельчайших деталей, и это позволяет ученым быстро двигаться вперед.
— В рамках Курчатовского геномного центра у нас появилась возможность создать необходимую экспериментальную базу, чтобы реализовать наши задумки, — пояснила руководитель отделения «Курчатовский геномный центр ИЦиГ СО РАН» Елена Салина.
Ускорить селекцию генетикам позволяет использование трех современных технологических методов. Первый — дигаплоидная технология. Она позволяет получать растения, в потомстве которых не наблюдается расщепления признаков, поэтому всё оно наследует одинаковые свойства. Такое «базовое» растение уже через год можно отобрать в поле для дальнейшего воспроизводства. Применение растений-дигаплоидов позволяет втрое сократить количество поколений для отбора новой линии.
Второй метод — использование молекулярных маркеров, которые помечают нужные ученым гены. Специалисты используют их на ранних стадиях отбора линий с полезными свойствами и тем самым создают нужный им материал.
И наконец, третий метод — геномная селекция, когда отбор ведут по всему геному растения. Сотрудники центра применили этот подход, чтобы максимально сохранить полезные качества сортов, которые были включены в скрещивание.
Прародители
Работа генетиков состоит из нескольких этапов. Если говорить о получении сорта «на заказ» с повышенным содержанием клейковины и устойчивостью к болезням, то схема такова. Сначала берут два растения-донора: высокоурожайный сорт с большим содержанием белка и клейковины и носителя генов устойчивости к болезням. Их скрещивают между собой и получают первое поколение семян. На стадии второго поколения ДНК получившихся растений анализируют с помощью маркеров, и семена этих растений высаживают в поле, чтобы специалисты могли изучить все свойства нового сорта. Важнейшее из них — сроки созревания, потому что даже сорт с самыми феноменальными свойствами не будет востребован, если он не успеет вызреть в нужном регионе. Третье поколение растений дает возможность оценить элементы структуры урожая. Из полученных линий пшеницы по маркерам отбираются наиболее перспективные.
Сейчас ученые центра вырастили уже четыре поколения пшеницы, которые станут прародителями нового сорта. Процесс его создания переходит в завершающую стадию. Основной отбор генетических линий с нужными свойствами закончен. Весной предстоит последний этап работы с молекулярными маркерами, после начнутся испытания в поле.
Всего ученые отобрали десять линий пшеницы. Они устойчивы к бурой ржавчине и мучнистой росе, а также отличаются высоким содержанием клейковины. Анализ маркеров и оценка в поле покажут, какая из линий окажется наиболее перспективной. Она и попадет в руки селекционерам, которые займутся производством семян для агроклиматических испытаний.
Вопрос метода
Геномная селекция перспективна, поскольку позволяет ввести новые гены от диких сородичей в геном пшеницы и улучшить ее агробиологические характеристики, рассказала заведующая лабораторией «Математическая биология и биоинформатика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (вуз — участник проекта повышения конкурентоспособности образования «5-100») Мария Самсонова. Использование математических методов в геномной селекции позволяет экономить ресурсы, добавила эксперт. В этом случае на основе выборки растений создается математическая модель, которая описывает зависимость между признаком и генотипом. После создания модели уже нет необходимости оценивать признаки растений другой популяции, а можно проводить отбор растений по генотипу.
— Селекция с использованием молекулярных маркеров позволяет целенаправленно вести гибридизацию растений пшеницы с заданными ценными свойствами, значительно сократив время создания сорта или гибрида, — добавила доцент агробиотехнологического департамента РУДН Елена Романова.
Помимо создания сортов и линий пшеницы с ценным биохимическим составом перед генетиками и селекционерами стоит еще одна задача: сорта должны быть устойчивы к опасным фитопатогенам, вызывающим такие болезни, как ржавчина, мучнистая роса, и другие, так как они приводят к значительным потерям урожая. Также, по мнению эксперта, приобретает всё большее значение селекция на устойчивость пшеницы к стрессам в связи с изменениями климата.