Разнонаправленность сдвигов количественного признака индивидуального организма под влиянием генетических и средовых причин в двумерных системах признаковых координат:
Методы создания ко-коллекций

Ко-коллекция (core collection) − это коллекция генотипов, в которой представлено с минимальными повторениями все генетическое разнообразие данного вида.

Для того чтобы коллекции генофонда могли оперативно и эффективно поставлять селекционерам источники и доноры ценных свойств, необходимо создать ко-коллекции для каждого вида культивируемых растений. Создание ко-коллекций до сих пор тормозилось неизученностью генетической структуры популяций любого вида, так как в ко-коллекции должно быть представлено с минимальными повторениями разнообразие генов, но не разнообразие морфотипов или биотипов. В пределах каждой коллекции необходимо отобрать группу генотипов, несущих «наиболее ценные гены» или «ценные физиолого-генетические системы» для селекционного улучшения данного вида. Эта часть ко-коллекции будет представлять собой рабочую коллекцию для селекционеров.

Общая структура ко-коллекции может быть выражена схемой, представленной на рис.1.

Можно видеть, что данная классификация ко-коллекций полностью отражает те генетические системы, с которыми имеют дело современные селекционеры. Первая из них — совокупности «больших» менделевских генов, вторая — совокупности полигенных количественных признаков продуктивности, устойчивости, качества. Если для первой системы созданы мощные методы генетического анализа, технологии беккроссирования, методы трансгенеза (переноса генов методами генной инженерии), то для второй — в настоящее время не существует ни надежных методов генетического анализа, ни надежных технологий ее генетико-селекционного улучшения.

Рис. 1. Общая структура ко-коллекций.

Более того, сравнительно недавно возникло первичное понимание реальной эколого-генетической организации количественных признаков. К примеру, геном пшеницы имеет в совокупности около 80 тыс. локусов. Менделевских генов (имеющих селекционное значение) у пшеницы известно около 200. Можно видеть, в каком соотношении представлены первая и вторая системы у важнейшего для человечества рода злаков. Несколько лучше эти пропорции у кукурузы, ячменя, гороха, но и для них отношение чисел генов первой системы ко второй не более 1 : 40.

Нет смысла специально подробно описывать методику создания ко-коллекций по «большим» менделевским генам. Это традиционный набор методов частной генетики любого вида, с получением на выходе генетических «почти чистых» линий, каждая из которых несет идентифицированный (необязательно локализованный) ген или гены.

Далее, изложим приоритетный подход к методике создания ко-коллекций по количественным, полигенным системам. Выше было показано, что при традиционной линейной селекции растений-самоопылителей (пшеница, ячмень, овес, горох, томаты и др.) селекционеры используют генетический полиморфизм лишь семи физиолого-генетических систем:

• генов аттракции,
• генов микрораспределений аттрагированной пластики между зерном и мякиной в колосе,
• генов адаптивности (таких систем несколько: засухо-, холодо-, морозо-, соле-, жаростойкости, стойкости к рН почвы,
• генов горизонтального иммунитета,
• генов «оплаты» лимитирующего фактора питания (N, P, K),
• генов толерантности к загущению
• генов вариабельности длительности фаз онтогенеза.

В совместных работах В. А. Драгавцева, А. Б. Дьякова и П. П. Литуна удалось показать, что В. С. Пустовойт создавал высокомасличные популяции подсолнечника только за счет идентификации и отбора полигенных систем микрораспределений пластики между лузгой и ядром в семянке подсолнечника. Акад. П. П. Лукьяненко использовал гены аттракции, изменяя соотношение зерно/солома на главном стебле. Краснодарские сорта озимой пшеницы Спартанка и Скифянка созданы Ю. М. Пучковым с соратниками с использованием генов толерантности к загущению. Саратовские селекционеры создают сорта яровых пшениц с помощью полиморфизма генов засухоустойчивости и т.п.

Выше показано, что существуют двумерные системы признаковых координат, в которых за счет явления разнонаправленности можно по положительной линии регрессии направить все эффекты «шумов» («шум», как было показано выше, — это изменчивость, мешающая идентифицировать генотипы по фенотипам) и часть эффектов селекционно значимых генов, а по отрицательной линии регрессии — только один эффект интересующей селекционера генетико-физиологической системы. Таким образом, можно быстро, без смены поколений, изучить полиморфизм каждой из семи генетико-физиологических систем и обнаружить генетические связи между ними.

Очевидно, при любых числах генов, детерминирующих, например, полиморфизм по аттракции, правый «хвост» нормального распределения будет занят генотипами, несущими самые лучшие аллели во всех локусах генетической формулы признака, а левый — генотипами с самыми худшими аллелями. При этом основная масса генотипов (весь основной «колокол» нормального распределения) будет представлена гибридными комбинациями лучших и худших аллелей в разных локусах. Это основное множество генотипов, дублирующих по составу аллелей крайние «лучшие» и «худшие» формы, должно быть убрано на длительное хранение (−20˚С или криоген), а левый «хвост» − худшие генотипы и правый «хвост» − лучшие — в совокупности представляют собой ко-коллекцию генетико-физиологических систем аттракции.

Если общее число сортов мягкой пшеницы, например, во ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова около 40 тыс., то в ко-коллекции по системам аттракции будет 100—200 образцов. Совокупность генотипов правого «хвоста» распределения — это рабочая коллекция генов аттракции для селекции на всем земном шаре, которая в дальнейшем будет делиться на рабочие коллекции для каждой конкретной зоны селекции пшениц. Ее объем − 50—100 образцов.

Точно так же создаются ко-коллекции по генетическим системам микрораспределений пластики, адаптивности (по всем важным для селекции системам адаптивности), по системам горизонтального иммунитета, по «оплате» лимитирующего фактора корневого или воздушного питания, по толерантности к загущению и по вариабельности фаз онтогенеза. Если по каждому полиморфизму в ко-коллекции будут включены по 100 лучших и по 100 худших генотипов, то объем общей ко-коллекции по всем семи генетическим системам будет около 2500—3000 образцов.

Рабочая коллекция, включающая только «лучшие» полигенные системы всех семи типов, будет иметь объем не выше 1000—1500 образцов, что резко облегчит деловые контакты сотрудников генофонда с селекционерами.

Следует подчеркнуть, что у самоопылителей — ввиду отсутствия в геноме сорта гетерозиготных локусов — в межсортовой дисперсии любого количественного признака не существует дисперсии доминирования (σ_D²), дисперсии сверхдоминирования (σ_0D²), дисперсии гетерозиготного эпистаза. Гомозиготный эпистаз существует, но поскольку он входит в ковариансу «родитель—потомок», то он просто является частью аддитивной дисперсии (σ_А²). Таким образом, генотипическое разнообразие в наборе сортов пшениц есть одновременно и генетическое (аддитивное) разнообразие (σ_g²=σ_А²), а генотипические корреляции суть в то же время генетические (аддитивные) корреляции (r_g=r_A). Поэтому для самоопылителей теоретическая база построения ко-коллекций по полигенным признакам достаточно ясна и понятна, чего нельзя сказать о перекрестниках.

На сегодняшний день в генбанках, имеющихся на земном шаре, сосредоточено боллее 3 млн. генотипов. Отсутствуют паспортные данные у 65% генотипов, нет характеристик у 85% генотипов, нет оценочных данных для 95% генотипов. Только 1% генотипов из всей мировой коллекции имеет удовлетворительные оценочные данные. Вся мировая коллекция может быть подразделена на: а) дикие виды −10%, б) ландрасы и примитивы − 20%, в) селекционные сорта − 65%, г) генетические линии и другие (признаковые) формы − 5%.

Ниже приведено в процентном соотношении количество селекционеров, которые используют в своей работе данные генных банков:

Можно видеть, что в настоящее время лишь 9,3% всех селекционеров используют возможность продуктивно взаимодействовать с генными банками.

Данные, которые запрашиваются селекционерами из генных банков, выражаются следующими цифрами: информация о болезнях запрашивается 53,1% селекционеров, устойчивость к стрессам − 43,8% исследователей, урожайные характеристики − 31,3% селекционеров, качество семян интересует 13% ученых.

Крайне слабая изученность генотипов мировой коллекции и, как результат этого, отрыв от запросов селекционеров породили на международном уровне общее мнение о том, что сейчас необходимо бо́льшую часть средств расходовать не на сборы и хранение, а на изучение коллекций, в частности, на хорошую генетическую проработку образцов.

Однако нарастающая по экспоненте генетическая эрозия естественных популяций практически во всех регионах планеты заставляет генбанки интенсифицировать сборы и закладку на хранение диких видов, ландрасов, примитивных форм, староместных сортов и генетических линий.

Коллекции бурно растут, финансирование уменьшается, и у ресурсников меньше возможностей для организации надежных конвейерных систем изучения генотипов.

Поэтому надо стремиться к разработке быстрых, дешевых и простых алгоритмов создания ко-коллекций, рабочих коллекций селекционеров, развитию теории селекции на основе получения новых фундаментальных знаний о тех генетических механизмах, на основе которых создаются новые коммерческие сорта.

Эколого-генетическая модель организации сложных количественных признаков, во-первых, раскрыла реальную природу взаимодействия генотип — среда, природу экологически зависимого гетерозиса, природу транcгрессий и позволила разработать подходы к прогнозирования этих эффектов.

Во-вторых, знание, полученное из этой модели, поставило вопрос о необходимости оценивать генотипы в типичных условиях данной зоны селекции. Возникла проблема строгой количественной типизации каждого года для каждой культуры в каждой зоне селекции. Было показано, что вероятность попадания полевого эксперимента за три года испытания генотипа на типичный для данной зоны год не слишком высока, поэтому усредненные данные за три года испытания чаще всего отражают «работу» не тех генов, которые обеспечивают максимальный урожай сорта в типичный для данной зоны год.

В фитотронных камерах можно достаточно просто организовать типичную последовательность лимитирующих факторов любой географической точки на земном шаре. Это дает принципиальную возможность проводить эксперимент один раз вместо принятых трехлетних испытаний генотипов в поле. Кроме того, в полевых опытах часто невозможно вычленить «вклады» вирусных заражений, корневых гнилей, повреждений насекомыми и т.п. в общую вариабельность сложных признаков. В камерах все эти причины изменчивости могут быть легко элиминированы, что резко повышает надежность оценок.

С точки зрения нового знания об эколого-генетическом «устройстве» сложного количественного признака необходимо рассмотреть соотношение настоящих и будущих генно-инженерных и клеточных технологий с эколого-генетическими подходами к будущей технологий селекции. Следует согласиться с акад. А.А.Жученко в том, что генная инженерия и клеточная инженерия — это технологии, увеличивающие генетическое разнообразие исходного материала.

Эти технологии являются хорошим дополнением к традиционным: гибридизации, мутагенезу, хромосомным и геномным замещениям, индукции рекомбинаций и т.п. Таким образом, современные биотехнологические подходы обеспечат в будущем лишь первую ступень селекционного конвейера — получение генетически разнообразного исходного материала. Эта первая ступень не требует и сейчас, и не будет требовать и в будущем никакого серьезного математико-компьютерного обеспечения, поскольку вырезание и векторный перенос конкретного гена или слияние протопластов есть процедуры «мануфактурные», но и системно-оптимизационные. Однако уже со второго шага селекционных технологий — подбора родительских пар для гибридизации − возникает необходимость применения системных экологических подходов, оснащенных компьютерным сервисом довольно высокого порядка. С позиции эколого-генетической модели любой признак продуктивности растения есть не только (и не столько) продукт действия генов или хромосом, сколько результат взаимодействия лимитирующих факторов внешней среды с системами генных комплексов. Без количественного описания всей сложной эколого-генетической «конструкции» признака продуктивности невозможно однозначно и строго подобрать именно ту пару родителей, в гибридном потомстве которых появится трансгрессия по продуктивности.

Сейчас уже можно вести речь о построении структуры системы «конвейерного» изучения коллекций генофонда (в первую очередь самоопыляющихся растений).

1. Типизация метеусловий сначала основных, а затем и всех селекционных центров в России (и в мире).

2. Разбивка сортовых коллекций методом климатических аналогов на сравнительно крупные группы по крупным климатическим зонам земного шара.

3. Генетическая инвентаризация полиморфизма по семи генетико-физиологическим системам и создание ко-коллекций (и рабочих коллекций) для селекции в каждой климатической зоне.

4. На основе знания типичной динамики лимитирующих факторов в конкретной зоне селекции — определение конкретной природы трансгрессий для этой зоны (объединение двух или нескольких из семи физиолого-генетических систем).

5. Создание в климатических камерах или в полевых условиях (путем компьютеризированного выбора наиболее репрезентативного района и поля в данной зоне селекции) типичной динамики метеофакторов конкретной зоны селекции и испытание лучших генотипов из рабочей коллекции, отобранных по системам, сочетанию, качеству продукции.

6. Отбор двух (или нескольких) лучших родителей по объединяемым системам с оценкой степени аддитивности «работы» этих систем и скрещивание этих родителей.

7. Методами идентификации нужных генетических систем в F₂ в камере или в поле (при той же типичной динамике лим-факторов) отбирается уникальное растение (или растения), несущее в себе генетические системы обоих родителей и являющееся трансгрессией.

8. Размножение этого растения (растений) до F₃ и F₄ и передача нового коммерческого сорта в зону селекции для мелких селекционных «шлифовок», размножения, конкурсного испытания и направления сорта в Госсортосеть.

Предложенная схема работы не исключает всех традиционных способов селекции с участием «больших» менделевских генов. Она предназначена для работы со сложными количественными признаками урожая, устойчивости, качества.

Запуск этой системы связан с необходимостью создания «в железе» поточной линии для конвейерного обеспечения селекционных центров готовыми трансгрессиями − родоначальниками будущих сортов.