Запитайте у ячменю Інститут молекулярної фізіології рослин імені Макса Планка

Селекція рослин триває понад десять тисяч років. У той час, ще не знаючи норм Менделя за випадковим принципом, сьогодні за допомогою найточніших методів аналізу рослини оптимізуються за своїми властивостями для використання людиною.

Що таке селекція рослин?

Людина використовує можливості природи

Метою селекції рослин є отримання рослин з поліпшеними властивостями. Основою класичного розведення рослин є відбір рослин з бажаними характеристиками та їх цілеспрямоване схрещування між собою. Коли рослини схрещуються, властивості двох рослин поєднуються - хороші і погані. Отже, необхідне повторне схрещування з подальшим оновленим відбором, щоб об’єднати сприятливі властивості та, наскільки це можливо, виключити негативні.

Для досягнення різноманітних цілей селекції вирішальне значення має те, наскільки великим є різноманіття характеристик у межах виду рослини. Чим більше генетичне різноманіття, з якого можна вибрати, тим більша ймовірність досягнення бажаної мети розведення. Рослини з бажаною комбінацією властивостей примножуються і після різних випробувань з’являються на ринку як новий сорт.

Звідки беруться наші врожаї?

Історія, яка сягає тисячоліть

Наприкінці кам’яного віку люди розчистили ліси, характерні для центральноєвропейського ландшафту, і відібрали певні рослини для вирощування на цих територіях. Це призвело до зміни природного складу видів та полів та луків.

Серед видів рослин, що культивуються, люди відбирали ті рослини для подальшого вирощування, які мали найбільш сприятливі властивості щодо своїх потреб. Наприклад, окремі рослини з довшими колосками або більшими плодами були відібрані для подальшого вирощування. Це не тільки збільшило кількість високопродуктивних рослин, але й збагатило їх генетичний склад. Це змінило генетичний склад культивованих видів.

Багато наших культурних рослин (пшениця) виникли з диких форм тисячі років тому завдяки втручанню людини. Сучасні злаки походять з дикорослих трав. Наші основні зернові культури - пшениця, ячмінь та жито, а також кукурудза, картопля та помідори були імпортовані до Європи з інших регіонів світу.

Навіщо взагалі потрібна селекція рослин?

Цілі рослин не є цілями людини

У природі рослини отримують користь від тих властивостей, які покращують їх пристосованість до навколишнього середовища та підвищують їх конкурентоспроможність ЗАПИТАТИ СЛИВА. Однак властивості, що забезпечують виживання рослини, можуть порушити або навіть перешкодити його використанню людиною. Передчасна втрата насіння, вироблення гірких або отруйних речовин для захисту від ворогів.

Це видно з прикладу злаків: На початку вирощування злаків люди відбирали для вирощування ті рослини, насіння яких залишалося на колосі якомога довше і не випадало рано в полі або під час транспортування. Таким чином, люди досягли вищих урожаїв, але в той же час обмежували здатність рослини до розмноження. Тому зерно потрібно обмолотити, щоб зерно (насіння) було звільнено.

Майже всі наші врожаї сьогодні не в змозі вижити за межами оброблених полів, оскільки вони пред'являють високі вимоги до якості грунту та поживних речовин і, крім того, не дуже конкурентоспроможні диким рослинам.

Яких цілей переслідує людина у розведенні?

Цілі людини - це не цілі рослин

Для кожного виду сільськогосподарських культур існують конкретні цілі селекції. Ці цілі розведення стосуються:

прибутковість
Безпека врожайності (включаючи стабільність, стійкість до шкідників та хвороб, вищу стійкість до кліматичних впливів)
поліпшення якості (склад інгредієнтів з точки зору здоров'я, смаку або технологічних властивостей)
адаптація рослин до виробничих процесів (наприклад, рівномірне дозрівання, рівномірна довжина стебла)
покращене використання ресурсів (поживних речовин, води тощо)

На чому засновані рослинні властивості?

Гени батьків визначають особливості дітей

Властивості засновані на інформації, яка зберігається в ДНК у вигляді генів у клітинному ядрі рослин (Ask the Grape, частина 1). Або один ген може бути відповідальним за розвиток властивостей, або кілька генів разом викликають їх.

Рослини можуть мати від 30000 (таловий кресон) до понад 60000 генів (пшениця). Під час запліднення гени батька і матері рекомбінуються. Результатом є потомство з новим набором властивостей (Ask the Grape, частина 1). Чим більше різноманітність у межах виду, тим більші його можливі поєднання. Завдання селекціонера - вибрати з цього сорту найкращих кандидатів для подальшого розведення. Це особливо важко для властивостей, які не видно відразу, таких як смак або певна стійкість до хвороб.

Як насправді розмножуються рослини?

З квітів та клонів, бджіл та вітру

Самозапилювачі включають пшеницю, ячмінь, овес, рис, горох та боби.

Рослини розмножуються або статевим шляхом шляхом запилення та запліднення, або безстатевим шляхом вегетативного розмноження.

Під час статевого розмноження в квітках рослин утворюються пилок та яєчні клітини. Розрізняють самозапилення, коли пилок квітки потрапляє на рильце тієї самої квітки, та перехресне запилення, при якому пилок квітки однієї рослини переноситься на рильце квітки іншої рослини.

Тип запилення має вирішальний вплив на характеристики потомства та їх різноманітність. Оскільки у випадку самозапилювачів насіння та пилок походять від однієї рослини, потомство в основному ідентичне між собою та батьківською рослиною.

Змінити генетичний склад цих рослин можна лише шляхом мутацій або перехресного запліднення.

Перехресні запилювачі включають жито, люцерну, соняшник, ріпак, коноплі, корми та цукрові буряки, а також кукурудзу.

При перехресному запиленні пилок та яйцеклітина походять від різних рослин. Пилок може транспортуватися до рослин-реципієнтів за допомогою комах або вітру. Потомство від такого схрещування складається з великої кількості генетично різних рослин.

Окрім статевого розмноження, рослини також мають можливість безстатевого розмноження. Так зване вегетативне розмноження створює рослини, які мають точно такі ж властивості, як і вихідна рослина. Такі рослини також відомі як відгалуження або клони. Прикладами цього типу розмноження є картопля та полуниця. Залежно від типу розмноження та запилення розроблені різні методи розведення.

Які існують методи розведення?

Стійкість до борошнистої роси ячменю: Перетинаючи ефіопський ландрас (ліворуч), європейський елітний сорт (праворуч) також став стійким до борошнистої роси (приблизно з 1930 р.).

Різні шляхи ведуть до мети

У всьому світі близько третини врожаю втрачається через хвороби рослин, шкідників та бур'яни. Крім того, майбутні виклики величезні через постійно зростаюче населення світу з одночасним зменшенням площ обробітку та зміною кліматичних умов. Для того, щоб і надалі отримувати якісні та екологічно сумісні врожаї в достатній кількості, нам потрібно ефективне та інноваційне розведення рослин.

У минулому столітті класичні методи розведення, засновані на відборі та схрещуванні, могли бути доповнені новими методами. Методи, що полегшують пошук рослин, придатних для подальшого розведення, або техніки, що дозволяють додавати окремі властивості, зробили селекцію рослин більш ефективною. Передумови для цього були створені шляхом фундаментальних досліджень рослин.

Класичні методи

Елітарне розведення є найдавнішою культивованою формою. Спочатку він діяв як масовий відбір, в якому вирощували поліпшені суміші одного виду рослин. З цих сумішей (місцевих сортів) пізніше були відібрані найкращі окремі рослини. В результаті сорти землі були розбиті на генетично однорідні лінії (наземні раси).

Під Комбіноване розведення розуміється схрещування рослин з метою рекомбінації характеристик. Різні сорти культурної рослини можна схрещувати між собою або дикі види можна схрещувати в культурну рослину.

З окремих переходів відбираються лише найперспективніші. Хоча самозапліднення потрібно запобігати при самозаплідненні, щоб мати можливість створювати нові комбінації (штучне схрещування), при перехресному запиленні перехресне запліднення свідомо проводиться з іншим партнером.

Гібридне розведення є подальшим розвитком комбінованого селекції. Дві генетично різні, але однорідні материнські рослини (інбредні лінії) схрещуються між собою. Нащадки цього хреста набагато перевершують своїх батьків за ростом і врожайністю. Це явище називається гетерозисом. Тільки з економічних причин зібраний матеріал гібридного сорту не можна використовувати як насіння, оскільки ефект гетерозису і, таким чином, високий урожай втрачається в наступному поколінні через розщеплення властивостей.

Перед закінченням сорту необхідно провести численні випробування. Від першого схрещування до затвердження проходить близько 12-15 років.

Гібридне розведення Окрім кукурудзи, він також використовується для цукрових буряків, соняшнику, багатьох видів овочів, злаків, таких як пшениця та жито та декоративні рослини.

Нові, додаткові методи

В розведення за допомогою маркера будуть такі методи молекулярної біології, як ПЛР, секвенування або Визначення інгредієнта (Запитайте виноград, частина 2 - триває) використовуються для обстеження нащадків схрещених порід на предмет їх генетичного складу та порівняння з вихідними рослинами. Створюючи такий «генетичний відбиток пальця», можна визначити, які молоді рослини підходять для подальшого розведення. Селекційні зусилля зменшуються.

Розумне розведення: Після початкового схрещування потомство відбирається за допомогою молекулярно-біологічних методів, які мають бажану нову ознаку. Потім їх знову схрещують, поки всі небажані властивості не зникнуть.

Розумне розведення - це "вдосконалення" розведення за допомогою маркера. Цей метод, також відомий як точне розведення, дозволяє виявити цікаві генні варіації або використовувати дикі рослини більш конкретно та ефективніше, ніж раніше для розведення.

Тоді як Мутаційне розведення радіоактивне випромінювання або хімічні речовини неорієнтовано змінюють генетичний матеріал і, отже, лише випадково і ненавмисно впливають на склад властивостей рослин Генна інженерія цілеспрямована інсерція гена або кількох генів і, отже, нові властивості. Ця вставка може обмежити тип (трансгенна рослина), але також у межах виду (цисгенна рослина) відповідно.

Навіщо нам банки генів?

Забезпечення різноманітності властивостей

В Банк генів Гатерслебен зберігати близько 145 000 зразків насіння з посівів з усього світу. Тільки в банку генів знаходиться 20 000 ячменю.

Оскільки розведення грунтується на постійному відборі рослин, це може призвести до звуження Генофонди свинцю в межах рослинного виду. Це звуження є особливо серйозним, якщо лише кілька видів були одомашнені та використані для подальшого розведення на початку використання людиною виду рослини.

Коли заводчики та вчені зрозуміли це, вони це зрозуміли Банки генів в яких збирається і зберігається генетичне різноманіття рослин у вигляді насіння. Завдяки новим та більш ефективним методам селекції, збережені старі сорти чи дикі типи будуть використовуватись більше в майбутньому, а банки генів набуватимуть значення.