Институт генетики и цитологии НАН Беларуси
ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ
ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
член-корреспондент
А.В. Кильчевский

Приоритеты сельскохозяйственного
производства
 Высокая продуктивность.
 Устойчивость к абиотическим и
биотическим стрессам.
 Ресурсо – и
энергоэффективность.
 Высокое и экологически
безопасное качество продукции.

Отрицательные тенденции сельского
хозяйства
 Нестабильность
производства
в
связи
с
экологической
неустойчивостью агроэкосистем.
 Высокая
энергоемкость
производства, рост энергетической
цены пищевой калории.
 Усиление
воздействия
на
окружающую среду.
 Загрязнение
сельскохозяйственной
продукции поллютантами.

Амбициозная научная повестка дня на 20052025 годы в области геномики и биотехнологии
растений (Plants for the future)
Обеспечить здоровые высококачественные ресурсы. Создать растения
с повышенным содержанием необходимых макро- и микрокомпонентов
(углеводы, жиры, масла, витамины, аминокислоты, антиоксиданты,
волокна и др.) и пониженным содержанием грибных микотоксинов,
антипищевых соединений и средовых поллютантов.

Улучшить потенциал и стабильность урожая. Повысить урожайность без
дополнительного внесения удобрений, сделать растения более устойчивыми к
абиотическим
стрессам,
улучшить
стабильность
урожая,
лежкость,
технологичность, снизить потери.

Улучшить биоразнообразие сельской местности. Создать растения, которые
можно выращивать при уменьшении энерговклада в технологию и переработку
конечного продукта, что позволит уменьшить эрозию почвы, использование
сельскохозяйственных средств производства, энергии и воды.

Уменьшить воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. Создать
растения, которые нуждаются в меньшем количестве удобрений, воды и других
агрохимических вложений для получения высокого урожая.

Улучшить сосуществование культур. Для обеспечения выбора потребителя
генетически модифицированным, обычным и органическим культурам
необходимо существовать бок о бок. Это может быть достигнуто путем
возделывания ГМ растений, уменьшающих поток генов (клейстогамия, ЦМС).

Основные направления и приоритеты
современной селекции растений (Кильчевский,
2005)
 Продуктивность
 Стабильность
 Качество
Приоритеты
Пути достижения
I. Расширение спектра генетической
изменчивости
Мутагенез
Рекомбиногенез
Трансгеноз
II. Повышение эффективности отбора
Селекция с помощью маркеров
Экологическая организация
селекционного процесса
III. Повышение информативности
селекционного процесса
Генетико-статистические методы в
селекции
Накопление оперативной информации
для принятия решений
IV. Сокращение сроков создания
сортов и гибридов
Использование фитотронов
Биотехнологические методы
(гаплоидия, клональное
микроразмножение ценных генотипов
и др.)

Экологические проблемы
селекции
1.
Частичная утрата современными сортами
приспособленности к биотическим и абиотическим
стрессам.
2.
Отсутствие экологической
(безадресность селекции).
3.
Отсутствие направленной селекции сортов широкого
ареала.
4.
Оазисный эффект оценки генотипа (несовпадение
потенциальной и реальной урожайности).
5.
Недостаточность контроля отзывчивости на факторы
интенсификации.
6.
Отсутствие контроля
накопления поллютантов.
целенаправленности
сортовой
специфики

Экологическая селекция
(Кильчевский, Хотылева, 1997)
совокупность методов создания
высокопродуктивных, энергоэф фективных
и
экологически стабильных
сортов, обеспечивающих
получение качественной
экологически безопасной
продукции
при
использовании
природоохранных технологий.
Премия НАН Беларуси, 1999 г.

Основные направления
экологической селекции
 Адаптивная
селекция
–
создание
высокопродуктивных и экологически
устойчивых
генотипов
для
определенного региона возделывания.
 Селекция энергетически эффективных
сортов,
максимально
использующих
сортов
естественные
ресурсы
среды
и
антропогенные источники энергии.
 Селекция
сортов
с
высоким
и
экологически безопасным качеством
продукции.

Метод
среды
оценки
взаимодействия
генотипа
(Кильчевский, Хотылева, 1985)
Модель фенотипа
Модель фенотипа
Хik = u + i +d + (vd)ik +eikr
Хik = u + vvi+dkk+ (vd)ik +eikr
X = u+ OAC +CACik
Xirir=u+ OACi i+CACik
Параметры стабильности
Параметры стабильности
Sgi =
Sgi =
σ CAC
σ CACi i
и
х 100%
х 100%
U +ОAС
U +ОAСi i
b = ΣX dk Σd2
bi i= ΣXikikdk//Σd2kk
k
k
k
k
CЦГ = U +ОAC ± pδСАС
CЦГi i= U +ОACi i± pδСАС
Параметры среды
Параметры среды
Sek =
Sek =
σ ДCCk
σ ДCCk
х 100%
х 100%
U +d
U +dkk
P = kSek/100%
Pkk = ttkSek/100%

Основные закономерности ВГС для
генотипов
1.
2.
3.
4.
5.
Среднее значение признака и его средовая
чувствительность относительно независимы и
могут сочетаться в одном генотипе в различных
комбинациях.
Генотип может быть стабильным по одному
признаку и нестабильным по другому.
Стабильность по продуктивности может быть
связана
с
нестабильностью
по
другим
признакам.
В ранних поколениях происходит расщепление
не только по среднему значению признака, но и
по экологической стабильности.
Гетерозисное состояние организма не всегда
обеспечивает стабильность, а стабильность не
всегда связана с гетерозисом.

Основные совокупности сред
1. Генетические банки.
2. Селекцентр.
3. Учреждения, проводящие
4.
5.
6.
экологическое сортоиспытание.
Система государственного
испытания.
Семеноводческие хозяйства.
Хозяйства, производящие культуру
(сорт).

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВГС ДЛЯ СРЕД
1. Среда канализирует изменчивость по продуктивности и
стабильности. В средних по продуктивности средах сохраняется
изменчивость генотипов по норме реакции и максимальная
эффективность отбора на общую адаптивную способность.
Отбор в богатых или бедных средах может привести к потере
экологической стабильности и выделению узкоприспособленных
генотипов.
2. Последовательность прохождения генотипов через среды
испытания сильно влияет на эффективность селекции.
3. Среда “in vitro”может канализировать
изменчивость
в
нежелательном направлении.
4. Отсутствует универсальная среда для испытания генотипов
разных видов по комплексу признаков.
5. Желательно применение 2-3 сред для анализа экологической
стабильности в ранних поколениях.
6. Для контроля основных параметров сред (типичность,
дифференцирующая и предсказующая способность), а также
реализации принципа экологической целенаправленности на
конечную совокупность сред целесообразно использовать
сорта-тестеры, ранее испытанные в Госсортосети.

Концепция основных совокупностей
сред в селекции растений
(Кильчевский, 1986)
1.
2.
3.
4.
Совокупность сред должна моделировать
разнообразие предсказуемых и непредсказуемых
условий в том регионе, для которого ведется отбор.
Схема селекционного процесса должна позволять
вести оценку не только среднего значения признака
генотипа, но и его экологической стабильности.
Схема селекционного процесса должна давать
возможность анализировать и оптимизировать
параметры среды как фона для отбора.
В селекционном процессе должен быть реализован
принцип экологической направленности на
конечную совокупность сред – производственные
условия региона, где будет возделываться сорт.

Связь между продуктивностью среды и ее
предсказывающей способностью
(картофель, 1982-1984 гг.)
Набор
сортов
Продуктивность
среды
Число сред
Sek
tk
Pk
1
Минимальная
Средняя
Максимальная
В среднем по
республике
10
34
6
50
21,7
19,2
17,8
19,6
0,513
0,591
0,531
0,568
0,110
0,114
0,094
0,111
2
Минимальная
Средняя
Максимальная
В среднем по
республике
7
24
4
35
23,2
19,3
19,4
20,1
0,512
0,543
0,416
0,522
0,122
0,106
0,080
0,106

Правила Джинкса, Пуни (1982)
(влияние условий и направления отбора на средовую чувствительность
материала
Условия среды
Направление
отбора
Благоприятные
Средовая
чувствительность
Высокая
Низкая
Неблагоприятные
Низкая
Высокая
Отбор в сторону увеличения значения признака
Отбор в сторону уменьшения значения признака

Направления экологизации
селекции
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Совпадение
направлений
естественного
и
искусственного отбора.
Необходимость
контроля
экологической
стабильности признаков в селекционном процессе.
Ориентация не на потенциальную, а на реальную
продуктивность.
Единая
стратегия
сред
на
всех
этапах
селекционного процесса с ориентацией на эконишу
будущего
сорта
(экологическая
целенаправленность селекции).
Получение
объективной
эколого-генетической
информации на каждом этапе селекционного
процесса.
Экологическая
организация
селекционного
процесса.

Оптимальное размещение селекционных учреждений и
пунктов сортоиспытания при селекции капусты и огурца
на адаптивность

Селекция энергетически
эффективных сортов

Основные требования к сорту
пшеницы по Н.И. Вавилову
(всего 46 требований)
21. Экологическая пластичность сорта в
смысле пригодности его для возможно
широкого ареала.
45.
Приспособленность
к
условиям
агрикультуры (отзывчивость на орошение,
на удобрения, соответствие экстенсивным
условиям
и
т.д.),
максимальное
использование удобрения для повышения
семенной продуктивности.

Группировка сельскохозяйственных и других организаций по
урожайности зерновых и зернобобовых культур в 2004-2006 гг.
в весе после доработки
(данные Министерства статистики и анализа Республики Беларусь)
(Кадыров, 2006)
Урожайность,
ц/га
До 10
10,1-15
15,1-20
20,1-25
Итого до 25
25,1-30
30,1-35
35,1-40
40,1-45
45,1-50
50,1-55
55,1-60
Свыше 60
Итого
Число хозяйств
2006
2004
6
22
64
236
409
514
568
553
1047
1325
430
311
245
142
174
86
94
46
65
29
39
18
31
5
30
6
2155
1975
% к итогу
2004
2006
0,3
1,1
3,0
11,9
18,8
26,1
26,4
28,0
48,5
67,1
20,0
15,7
11,4
7,5
8,1
4,4
4,4
2,3
3,0
1,5
1,8
0,9
1,4
0,3
1,4
0,3
100
100

Концепция “low/high input variety”
Low input variety – сорт низкого энерговклада
в технологию
High input variety – сорт высокого энерговклада
в технологию
M.Dambroth, N.E. Bassam (1983)
XIV EUCARPIA General Congress, 1995,
Finland
Adaptation in Plant Breeding,
Section: Breeding for low/high input

Критерии селекционных программ
для биологического земледелия ( IFOAM)
1. Методы селекции должны быть нацелены на получение
фертильных генетически разнообразных сортов, адаптированных
к органическому земледелию.
2. Должна быть обеспечена возможность контроля методов селекции
и образцов.
3. Ограничение методов селекции.
3.1. Исключение генетически модифицированных организмов.
3.2. Исключение радиационного мутагенеза.
3.3. Исключение культуры пыльников и микроспор.
3.4. Исключение гибридов на основе ЦМС без геноввосстановителей фертильности.
3.5. Исключение слияния протопластов.
4. Возможность использования гибридов F1 и ДНК-маркеров.
Европейская
ассоциация
исследователей
в
области
селекции растений EUCARPIA создала в 2004 году рабочую
группу по селекции для органического земледелия .

Особенности проявления параметров эффективности
использования энергоресурсов и экологической
стабильности при отборе высокоурожайных форм на
различных агрофонах
Х - доза минеральных удобрений
У - величина изучаемых признаков

Концептуальные модели сортов
растений
Тип сорта
Уровень
энергетических
затрат
Цель
производства
Отзывчиво
сть на
регулируемые
факторы
среды
Устойчивость к
нерегулируемым
факторам среды
Использование
средств
интенсификации
Способ
ность к
накоплению
поллютантов
Степень
загрязнения
окружающей
среды при
возделывании
Сорт для
биологического
земледелия
Низкий
Урожай
средний,
экологический,
чистая
продукция
Низкая
Высокая
Минимальное
применение
удобрений и
природных
средств защиты
Низкая
Низкая
Полуинтенсивный
стабильный
сорт, сорт
широкого
ареала
Средний
Урожай
средний или
выше среднего,,
экологически
безопасная
продукция
Средняя
Высокая или
средняя
Умеренное
применении
удобрений,
пестицидов,
регуляторов роста
Низкая
Средняя
Интенсивный сорт
Высокий
Урожай
высокий,
экологически
безопасная
продукция
Высокая
Интенсивное
применение
удобрений,
пестицидов,
орошения,
регуляторов роста
Низкая
Средняя

Селекция растений на
высокое и экологически
безопасное качество
продукции

Химический состав растений
как объект селекции
Н.И. Вавилов в классической работе «Селекция как
наука» указывал на возможность селекции растений по
признакам химического состава. Его коллеги
сотрудники
ВИР Н.Н. Иванов и Н.А. Базилевская обосновали
задачи селекции на химический состав растений,
придя
к выводам, что
 каждое химическое соединение наследуется
независимо от других;
 при скрещивании химические признаки
обнаруживают в F1 доминантность или
промежуточное наследование;
 в F1 нередко выявляется гетерозис по
содержанию химического вещества.

Проблемы повышения качества
продукции в процессе селекции

Повышение содержания полезных
компонентов (белки, жиры, углеводы,
витамины и др.)

Снижение
содержания
нежелательных веществ (алкалоиды у
люпина, горечь огурцов и т.д.)

Снижение содержания поллютантов
(нитраты,
тяжелые
металлы,
радионуклиды, микотоксины, пестициды
и др.)

Факторы, определяющие накопление
поллютантов
1. генетические (особенности культуры и сорта,
определяющие
поступление,
транспорт,
накопление и детоксикацию поллютантов);
2. средовые (близость расположения источника
поллютанта
и
интенсивность
загрязнения,
абиотические и биотические факторы среды,
влияние рельефа местности на распространение
загрязнения и др.);
3. агротехнические (дозы и сроки вносимых
удобрений
и
пестицидов,
регулирование
поступления поллютантов в растения из почвы
агротехническими приемами и др.

Внутривидовая изменчивость растений
по накоплению поллютантов


Оценивается рядом авторов в 2-5 и более
раз.
Зависит от характера загрязнения и
продуктивного органа.
ВОЗДУШНЫЙ
ВОЗДУШНЫЙ
КОРЕНЬ
КОРЕНЬ
СТЕБЕЛЬ
СТЕБЕЛЬ
ЛИСТ
ЛИСТ
ПОЧВЕННЫЙ
ПОЧВЕННЫЙ
ПЛОД
ПЛОД
СЕМЯ
СЕМЯ

Типы реакции растений на увеличение
концентрации металлов в почве
(A.I. Baker , 1981)
А. аккумуляторы – аккумулируют металлы в подземной части
растений при высоком или низком содержании их в почве;
В. индикаторы – растения, у которых концентрация веществ в
надземной части прямо связана с их концентрацией в почве;
С. эксклюдеры – растения, у которых концентрация металлов в
побегах поддерживается постоянной и низкой в широком ранге
почвенных концентраций до критического значения их в почве.

Внутривидовая изменчивость по
накоплению радионуклидов
Исследовалась на 4 овощных культурах в Брагинском
районе Гомельской области при плотности загрязнения
137Сs 10 Кu/км2, 90Sr – 1 Кu/км2.
томат




капуста
морковь
лук
Объектами служили 5 сортов каждой культуры.
Межсортовые различия составили
по накоплению 137Сs
 у томата – 3,1 раза;
 капусты – 3,3 раза;
 моркови – 3 раза;
 лука – 0,8 раза;
по накоплению 90Sr
 у томата – 1,8 раза;
 капусты – 2,6 раза;
 моркови – 1,5 раза;
 лука – 2,3 раза.

Степень доминирования по
содержанию нитратов в плодах томата
Фон
Гибриды
HP < -1
- 1 ≤ HP ≤ 1
HP > 1
10
35,7
12
42,9
7
25,0
3
10,7
9
32,1
13
46,4
6
21,4
3
10,7
1991 г.
Контрольный
Повышенный
Количество
%
Количество
%
11
39,3
13
46,4
1992 г.
Контрольный
Повышенный
Количество
%
Количество
%
13
46,4
12
42,9

Степень доминирования Hp по
содержанию тяжелых металлов в плодах
томата
Среда
Параметры
HP < -1
- 1 ≤ HP ≤ 1
HP > 1
1995 г.
Загрязнение
кадмием
10
6
5
%
47,6
28,6
23,8
Количество
генотипов
18
2
1
%
Загрязнение
свинцом
Количество
генотипов
85,6
9,6
4,8
1996 г.
Загрязнение
кадмием
16
5
0
%
Загрязнение
свинцом
Количество
генотипов
76,2
23,8
0
Количество
генотипов
16
4
1
%
76,2
19
4,8

Общая стратегия селекции на
снижение накопления поллютантов в
продукции сельского хозяйства
1.
оценка исходного материала по комплексу
хозяйственно ценных признаков и накоплению
поллютантов на загрязненном участке, выбор
исходных форм для гибридизации, соответствующих
задаче селекции;
2.
проведение отбора в ранних поколениях (F2 — F5)
по хозяйственно ценным признакам, а также по
признакам,
корреляционно
связанным
с
накоплением
поллютантов
на
незагрязненном
участке;
3.
проведение конкурсного или экологического
испытания на загрязненной территории для оценки
результативности селекции.

Маркер сопутствующая
селекция томата
на качество плодов

Одним из главных показателей,
определяющих качество томата, является
способность плодов к длительному хранению
– «лежкость»
Для улучшения лежкости плодов гибридов F1
используют рецессивные гены rin, nor и alc,
которые в гетерозиготном состоянии удлиняют
период хранения плодов, сохраняя при этом их
товарные качества.
Несмотря на важное практическое значение,
селекция по перечисленным генам связана
с рядом трудностей:
 Действие
этих генов проявляется на
поздних стадиях развития и созревания
плодов.
 Требуется
постоянная
выбраковка
гетерозиготных форм, непригодных для
селекции гибридов.
Традиционные методы для выбраковки гетерозиготных форм требуют
дополнительного поколения, что существенно замедляет и удорожает
селекционный процесс.

STS маркеры для идентификации
nor и rin генов
нормальное
нормальное
растение
растение
Mo-950
Mo-950
( alc
( alc ) )
Mo -577
Mo -577
( rin
( rin ) )
F1 rin/+
гибрид
Mo-577 ( rin )
Mo-948 ( nor )
Mo-950 ( alc )
нормальное
растение
Mo-948
Mo-948
( nor
( nor ) )
F1 nor/+
F1 nor/+
гибрид
гибрид

Получена полная кодирующая
последовательность гена LeNAC-NOR
из линии Mo-950 ( nor A )
Мутантная аллель norA отличается
от аллели дикого типа одиночной
трансверсией тимин-аденин. Эта
точечная
трансверсия
локализуется в 130 нуклеотиде
второго экзона LeNAC-NOR гена.
nor (alc):
A
T1109 ► A1109
Val106 ► Asp106
сайт рестрикции
сайт рестрикции
Cfr 10I
Cfr 10I
Полученная последовательность гена nor A ( alc)
размещена в базе данных GeneBank под номером

CAPS маркер для идентификации
nor A гена
F1 nor A /+
гибрид
Mo-577 ( rin )
Mo-948 ( nor )
Mo-950 ( nor A )
нормально
е
растение
Одиночная
трансверсия тиминаденин у мутантной
аллели nor A гена
приводит к тому, что
мутантная аллель не
расщепляется
рестрикционной
эндонуклеазой Cfr 10 I .

Фенотипические особенности мутаций
биосинтеза каротиноидов
B
Beta-carotene
Оранжевые плоды, повышенное содержание βкаротина
og
old-gold
Красные плоды, желтовато-коричневый венчик,
повышенное содержание ликопина
ogc
old-gold
crimson
Красные плоды, желтовато-коричневый венчик,
повышенное содержание ликопина
t
tangerine
Оранжевая окраска мякоти плода и тычинок,
повышенное содержание ς-каротина
r
yellow flesh
Желтые плоды, пониженное содержание
каротиноидов
Del
Delta
Красно-оранжевая окраска плодов, повышенное
содержание δ-каротина

Разработка молекулярных маркеров к
генам, определяющим биосинтез
каротиноидов у томата
Проведено
секвенирование
и
изучен
ДНК
полиморфизм по генам томата t ( tangerine) , B ( Beta
carotene ), og ( old - gold ), ogc ( old - gold crimson ) . На
основании
полученных
данных
разработаны
молекулярные маркеры к генам .
Мутантные
генотипы
Мутантные
генотипы
Нормальные
генотипы
Результаты амплификации ДНК
линий томата с праймерами tF/tR
(ген t (tangerine))
Нормальные
генотипы
Результаты амплификации ДНК
линий томата с праймерами BF/BR
и последующей рестрикции по
Hinf I.

Благодарю за внимание!
Благодарю за внимание!