Селекция и генетика сахарной свеклы:
Направления и методы селекции

автор:

Цукровий буряк має велике народногосподарське значення як харчова, стратегічна, кормова культура, яка біологічно надто складна, трудомістка в сільськогосподарському виробництві, промисловій переробці.

У 1886—1917 pp. в Україні була створена широка мережа селекційних станцій по цукрових буряках. Розпочинаючи з 1920 року, з метою більш раціонального розміщення і використання, було закрито їх більше половини, а в першу чергу закривалися ті, які не витримали конкуренції. Залишені лише станції, які мали високий рівень наукових досліджень, високопродуктивні сорти і володіли ефективними (в той час) методами селекції.

У 1922 році був створений і розпочав свою роботу по селекції, генетиці, анатомії, фізіології й іншим напрямам Науково-дослідний інститут цукрових буряків — НІЦ у м. Києві. Основним напрямом наукових досліджень в Уманському селекційному пункті ВНІЦ, на початку його становлення, було створення нових вихідних матеріалів цукрового буряка (2хММ) із залученням інших форм буряків (кормових, столових, листових — мангольдів, диких — Beta maritima L, В. lomatogona L. та ін.) Особливу зацікавленість викликають складні схрещування цукрових, кормових та листових буряків, де поєднуються можливості підвищення маси коренеплоду, що притаманне кормовим, із специфічною здатністю цукронакопичення у мангольда, на основі цукрових буряків.

Роздільноплідний цукровий буряк

У 1930 році розпочато селекційну роботу по створенню нової форми роздільноплідного диплоїдного цукрового буряка в Україні. Вже в 1956 році був районований сорт Білоцерківський однонасіннєвий, а в 1958 році Ялтушківський однонасіннєвий. Роздільноплідні форми мали ряд переваг в порівнянні з багатоплідними — можливість вирощувати цю культуру за інтенсивною технологєю, успішно вести селекційний процес одночасно як за урожайністю, так і за цукристістю коренеплодів і за насіннєвістю.

Із метою підвищення продуктивності перших роздільноплідних сортів була використана міжсортова гібридизація з кращими багатоплідними сортами цукрового буряка (Р06, В020, У 752 та ін.). Роздільноплідний, також як і багатоплідний цукровий буряк — перехреснозапильні рослини, мають велику індивідуальну мінливість за багатьма ознаками, що забезпечує в кожному поколінні нові комбінації, рекомбінації та мутації. Такі форми вимагають безперервного селекційного процесу по удосконаленню багатьох ознак — урожаю та цукристості коренеплодів, роздільноплідності, енергії та схожості насіння, неквітучості, стійкості до хвороб, технологічних якостей, що вимагають різних методик та методів синтетичної селекції.

Аутотетраплоїдні цукровий буряк

Роздільноплідний цукровий буряк — порівняно молода і нова форма, має дуже вузьку генетичну основу походження, яка тривалий час не давала можливості створювати сорти, які могли б конкурувати з добре відпрацьованими високопродуктивними багатоплідними сортами.

Пошук покращання роздільноплідного цукрового буряка проводився в декількох напрямах — створення міжсортових гібридів; створення експериментальних аутотетраплоїдів та використання явища ЦЧС, з наступним створенням гетерозисних гібридів. Перші дослідження з поліплоїдії у ВНІЦ належать до 30 років ХХ століття. Але тільки в 1956 році розпочались селекційні дослідження за створення автотетраплоїдів (4xmm x 4xMM) для практичної селекції цукрових буряків на Білоцерківській селекційній станції, у ВНІЦ, Уманському селекційному пункті та інших наукових установах. Низька продуктивність, схожість насіння у автотетраплоїдів, і особливо у роздільноплідних, не сприяли практичному використанню поліплоїдії у виробництві.

У 1964—1966 pp. були районовані перші анізоплоїдні популяції — Білоцерківський полігібрид 1(БцПГ-1), потім БцПГ-2, у 1971 p.— Внісовський полігібрид— 5 (ВнПГ-5) і ВнПГ-33, які були створені на основі Ялтушківської однонасінної 4xmm співробітниками ВНІЦ та Уманського селекційного пункту. В широких масштабах проводилась на Уманському селекційному пункті селекційна робота з отримання автотетраплоїдів із кращих сортів диплоїдного багатонасіннєвого цукрового буряка.

Високу урожайність коренеплодів і цукристість мали гібридні комбінації при використанні ЧС-ліній, отриманих із сортів ЧС-В521, ЧС-Ян-3 та тетраплоїдних багаторосткових номерів. Але у виробництві проводилась заміна багатоплідних сортів на роздільноплідні, не зважаючи на нижчі показники за багатьма ознаками, у т.ч. за урожайністю коренеплодів, цукристістю, схожістю насіння й ін.

З використанням явища ЦЧС у селекції цукрового буряка та створення нового вихідного матеріалу (ЧС 2xmm. ЧС 2хММ), які дали можливість уникнути ряду негативних властивостей (низька схожість насіння, продуктивність) і отримувати високий відсоток гібридів (95—100%), відсунули анізоплоїдні популяції, де при спільному збиранні компонентів гібридної комбінації (4xmm x 2хММ > 3:1) в анізоплоїдній популяції спостерігалось 50—60% (Зх), 20—25% (4xmm), 20—25% (2хММ) при роздільноплідності 80%. Разом із цим, поліплоїдія поки що не виявила всі свої позитивні можливості в селекції цукрового буряка.

Гетерозисна селекція на основі ЦЧС

Для отримання 100% гібридного насіння цукрового буряка та інших господарсько важливих ознак як у нас в країні, так і за кордоном, пішли по шляху створення вихідних матеріалів із використанням явища ЦЧС і на цій основі гетерозисних гібридів.

У 1935—1937 pp. були знайдені О.Ф. Гельмером стерильні по пилку рослини диплоїдного багатоплідного цукрового буряка на Іванівській дослідній станції і при запиленні їх фертильними були отримані гібриди, у яких спостерігалось підвищення продуктивності за урожайністю коренеплодів і збором цукру.

Американський вчений Ф. Оуен (1942—1945 pp.) запропонував генетичне обґрунтування ЦЧС у цукрового буряка, після чого стало можливим використання її в практичній селекції. Відповідно гіпотези Олена, ЦЧС у цукрового буряка обумовлена взаємодією стерильної цитоплазми (S) з двома комплементарними генами ядра х і z (Sxxzz і запилювач-закріплювач стерильності ЧС Nxxzz).

Створення вихідних матеріалів ЦЧС цукрового буряка отримало широкий розвиток в Уманському селекційному пункті ВНІЦ ще в 1959 p. спочатку на багатоплідних цукристих сортах Янаш-1. Янаш-3 й ін. З 1960 р. розпочато селекційну роботу по створенню роздільноплідної форми та продовження доборів ЧС-рослин на 2хММ У-752, Вн-591, Р023 й інших сортах. У 1965 р. були отримані селекційні номери роздільноплідного цукрового буряка Sxxzz 2xmm і запилювачі-закріплювачі ЦЧС 2xmm Nxxzz. що підтверджує можливість створення гомозиготного по двох рецесивних (х, z) факторах і в перехреснозапильних культур.

Дуже мала кількість ЦЧС рослин і особливо запилювачів-закріплювачів стерильності (О-типу) звужують генетичну основу цих матеріалів по багатьох ознаках, тому завжди буде актуальною розробка селекційних методів підтримки, покращання і розмноження цих матеріалів протягом наступних поколінь.

Одна із гібридних комбінацій від схрещування чотирьох ЧС-ліній (ЧС-12, ЧС-35, ЧС-43, ЧС-44) Уманського селекційного пункту при співвідношенні 4:1 з запилювачем Верхняцької селекційно-дослідної станції (В2хММ) була передана у 1977 р. в Державне сортовипробування, під назвою Ювілейний.

Гібриди цукрового буряка на ЦЧС основі можуть бути представлені простими гібридами (з участю однієї ЧС-лінії), подвійними (на основі двох ЧС-ліній) і складними (з участю 5—6-ти ЧС-ліній), які володіють гетерозисом і мають високу пластичність та продуктивність у роки їх оцінки відповідно до перших.

Таким чином, селекційна робота по створенню та використанню гібридів на ЦЧС основі складається з двох основних етапів:

— створення генетично контрастних по генах m, x, z ЧС-ліній та ліній О-типу, які характеризуються комплексом цінних ознак на першому та другому циклах розвитку;

— підтримуюча селекція (первинне насінництво), метою якої є збереження в гомозиготному рецесивному стані запилювачів О-типу та ЧС-компонєнта і в той же час гетерозиготного стану генів, що контролюють урожай коренеплодів і цукристість, комбінаційну здатність і високий гетерозис в нащадках.

Сорти і гібриди. Веселоподолянський однонасінний 29 (сорт 2xmm з 1979 р.), Ворскла — 2хЧСmm х 2хmm — диплоїдний гібрид, 2003 р); Іванівсько-Веселоподільський ЧС 84 — 2хЧСmm х 2хmm — диплоїдний гібрид та багато інших.

Генетично модифікований цукровий буряк

В результаті проведених досліджень на 2007 р. було отримано декілька ГМ-ліній цукрового буряка, що стійкі до гербіцидів і дозволені для вирощування у США, Японії, Австралії, Філіппінах, Канаді, Росії.

2. Лінія ACS-BVIII III 1—3 (T120—7) отримана методом трансформації рослин за допомогою A. tumefaciens, толерантна до гербіциду фосфінотріцину (РРТ) і глюфоцинату амонію (табл.1).

Таблиця №1.
Характеристика генетично модифікованої лінії цукрового буряка ACS-BVIII III 1—3 (T120—7) та праймерів для ії тестування
Характеристика та метод отримання ГМЛ ГМ-лінія ACS-BVIII III 1—3 (T120—7)
Вбудована ознака Стійкість до гербіциду фосфінотріцину (РРТ), глюфоцинату амонію
Метод трансформації Трансформація рослин за допомогою Agrobacterium tumefaciens
Фірма виробник Bayer Crop Science
Призначення Для потреб харчування
Характеристика чужерідних привнесених генетичних елементів
Організм-хазяїн з якого отримано ген S. viridochomogenes, E. Coli K12
Білок, що кодується геном Pat Фосфінотріцин N-ацетилтрансфераза
Білок, що кодується геном Neo Неоміцинфосфотрансфераза ІІ
Промотор для Pat CaMV 35S
Промотор для Neo Нопалінсинтази A. tumefaciens
Термінатор Poly(A) сигнал CaMV 35S
Праймери для тестування
Сіквенс Pat GCCACTTAGGCCAGTTACCCA
35S terminator TGAGGGAAACCCTATAAGAACCCT
Амплікон 149 п.н.(пар нуклеотидів)

Молекулярно-біологічна характеристика ГМ-цукрового буряка лінії 77.

Донором гена cp4-epsps, що кодуює синтез фермента 5-енол-пирувилшикімат-3-фосфатсинтазі (СР4 ЕРSPS) є Agrobacterium tumefaciens (At) strain CP4. Даний фермент стійкій до дії гліфосату. Була зроблена агро бактеріальна трансформація цукрового буряка лінії А1012 із використанням плазміни PV-BVGT03, основними генетичними елементами якої є наступні:

  • ген cp4-epsps із At strain CP4, що кодує фермент SP4 EPSPS, який визначає стійкість до гліфосату;
  • 35S промотор віруса мозаїки ранника, що регулює роботу гена cp4-epsps у рослини;
  • послідовність СРТ 2, що кодує хлоропластний транзитний пептид від Arabidopsis thaliana, потрібний для доставкі білка CP4 EPSPS до хлоропластів — місцю синтезу ароматичних амінокислот у клітині;
  • E9—3΄ — термінатор із гена rbcs із Pisum sativum;
  • модифікований 35S промотор віруса мозаїки цвітній капусти, що регулює роботу гена gus;
  • ген gus, що кодує β-D-глюкуронідазу із E. coli;
  • ген gox — синтетичний ген гліфосатоксідоредуктази на основі послідовності із Ochromobactrum anthropii strain LBAA;
  • послідовність СРТ 1, що кодує хлоропластний транзитний пептид від А. thaliana, потрібний для доставкі білка GOX до хлоропластів;
  • NOS 3΄ — термінатор гена нопалінсинтази із At;
  •  ген npt II, що кодує синтез неоміцинфосфотрансферази із транспозона Tn5, забезпечує стійкість до антибіотиків та використовується у якості маркерного гена.

Оцінка безпеки ГМ-ліній цукрового буряка

Результати комплексних досліджень по оцінкі безпеки ГМ-цукрового буряка лінії 77, стійкої до гербіциду гліфосату, і цукору, що вироблено із неї, показали відсутність в них токсичних властивостей. (Росія: РАН, РАМН, РАСХНЛ). Вивчення хімічного складу коренеплодів ГМ-цукрового буряка лінії 77 і цукрового піску із неі підтвердило його ідентичність складу цукрового піску та коренеплодів, що вирощувались за традиційній технології.

На основі результатів проведених досліджень Державної санітарно-епидемиологичної службою Російської Федерації надано дозвіл на використання ГМ-цукрового буряка лінії 77 у харчової промисловості та реалізації населенню без обмежень.