«Вычисление индексов имеет преимущества перед пользованием абсолютными величинами только в тех случаях, когда такие индексы выявляют известную закономерность, незаметную на абсолютных величинах, или когда они оказываются менее изменчивыми, чем абсолютные величины».
Ю.А.Филипченко
Эта цитата из книги Ю. А. Филипченко, изданной в 1934 г., в смысловом отношении полностью идентична современной точке зрения, которую В. Н. Тищенко и Н. М. Чекалин выразили в своей книге в 2005 году. Таким образом, за прошедшие 70 с лишним лет взгляды на вычисление индексов в селекции растений практически не претерпели никаких эволюционных изменений.
Кроме того, Ю. А. Филипченко подчеркивал: «На основании своего опыта я должен предостеречь всех изучающих наследование количественных признаков от пользования индексами — если не совершенно, то в громадном большинстве случаев. Только в очень немногих случаях метод индексов дает нечто большее, чем пользование одними абсолютными величинами… В громадном же большинстве случаев пренебрежение абсолютными величинами при выяснении хода наследования может вызвать только путаницу и ошибки».
Однако количественными признаками занимаются не только генетики растений, но и физиологи. В отличие от генетиков, которые, кроме количественных, исследуют в основном генетику качественных признаков, физиологи растений надмолекулярного уровня изучают только количественные признаки, при этом традиционно только в виде индексов.
Интенсивности фотосинтеза или транспирации в абсолютном значении не имеют смысла (в отличие от «массы колоса» или «числа колосков в колосе»). Физиологи рассчитывают эти интенсивности на клетку, на единицу площади листа, на единицу массы листа (сырой или сухой), на число хлоропластов и т. п. Но отношение двух признаков это и есть индекс, следовательно, использование индексов в физиологии растений — обычная и повсеместная процедура.
Почему же индексы при изучении генетики количественных признаков приводят к «путанице и ошибкам», а индексы тех же количественных, но физиологических признаков, имеют повсеместное распространение? Правда, четких обоснований, почему в одном случае интенсивность фотосинтеза рассчитана на единицу площади листа, а в другом — на единицу массы листа, физиологи обычно не приводят.
Как уже говорилось выше, в 1984 году в Докладах АН СССР была опубликована новая модель эколого-генетической организации количественных признаков растений. Сейчас это уже теория. Главный вывод этой теории в том, что спектр и число генов, детерминирующих генетическую изменчивость данного количественного признака, меняются при изменении лимитирующего рост растений фактора внешней среды. Следовательно, если объем понятия «генотип особи», отражающий всю совокупность генов генома, вполне стабилен и не зависит от смены лимитирующих факторов среды, то объем понятия «генотип признака» отражает чрезвычайно лабильные числа и спектры генов от среды к среде.
Информационная значимость индексов в разных средах
Рассмотрим для примера, какую информацию селекционеру дает очень распространенный в селекции злаков «harvest index», или «индекс урожайности», или «отношение зерно/солома на единице площади агрофитоценоза» при рассмотрении его на фоне разных лимитирующих факторов внешней среды.
Поскольку этот индекс имеет достаточно сложную структуру (плотность стояния растений определяется генами толерантности данного сорта к загущению, а масса зерна зависит от генов аттракции продуктов фотосинтеза из стебля и листьев в колос, и, кроме того, от генов микрораспределений пластики в колосе между зерном и мякиной) — то для анализа лучше взять более простой «индекс аттракции» — отношение массы колоса к массе соломины главного стебля одного растения.
Предположим, что мы ведем селекцию пшеницы методом индивидуального отбора в F2 в северной Индии на фоне полива, оптимального минерального питания, оптимальной температуры и освещенности. При этом генетические системы засухоустойчивости, «оплаты» лим-фактора минерального питания, толерантности к высокой или низкой температуре — «не выходят» на признаки «масса колоса» и «масса соломины главного стебля». Только гены аттракции «перекачивают» пластические вещества из соломы в колос. Сильные гены аттракции увеличивают индекс аттракции, слабые — уменьшают. Отбор по индексу аттракции очень эффективен: урожай зерна растет, урожай соломы снижается. Именно отбор по индексу аттракции позволил индийским селекционерам создать уникальные сорта — Кальян-Сона, Соналика и др. с высокой урожайностью зерна за счет эффективных генетических систем аттракции. Таким образом, использование индекса аттракции в северной Индии дает положительные селекционные результаты по продуктивности и урожаю.
Теперь изучим использование того же индекса при отборе отдельных растений в расщепляющихся гибридных популяциях яровой пшеницы, допустим, в Саратове. Известно, что для этого региона типична засуха, усиливающаяся во второй половине вегетации. Если при испытании популяции на фоне засухи при расщеплении возникла рекомбинация (или мутация), повышающая засухоустойчивость данного генотипа, то у этого растения параллельно увеличатся и «масса колоса» и «масса соломины». Индекс аттракции останется неизменным. Таким образом, если в зоне Саратова селекционер будет вести отборы по индексу аттракции, то он, возможно, потеряет самые ценные засухоустойчивые формы. Отборы на фоне засухи следует вести по признаку «максимальная общая сухая биомасса растения на фоне средней оводненности листьев и стебля».
Приведенный пример четко показывает, что в одной среде индекс аттракции дает прекрасные селекционные результаты, а в другой — его использование приводит к потере ценных генотипов. Следовательно, создание и использование селекционных индексов (т.е. их теория и практика) должны базироваться на теории эколого-генетической организации количественных признаков растений.
Индексы, существующие в генетико-селекционной литературе
Ю. А. Филипченко провел экспериментальные работы с 14 количественными признаками и 11 индексами в 1923—1925 гг. и опубликовал первые результаты в «Известиях Бюро по генетике и евгенике» № 4, 1926. Окончательную сформулированную им концепцию об индексах он включил в «Генетику мягких пшениц», изданную в 1934 году. В частности, были описаны следующие часто встречающие индексы: «относительная длина колоса» — отношение длины колоса без остей (мм) к длине соломины (см); «относительная длина остей» — отношение длины ости (мм) к длине колоса без остей (мм); «плотность колоса» — отношение числа колосков с колоса к длине колоса без остей (мм).
Далее перечислим периодически используемые в генетико-селекционной практике и литературе индексы:
- «Полтавский индекс» — отношение массы зерна с колоса (г) к длине верхнего междоузлия (см);
- «Мексиканский индекс» — отношение массы зерен с колоса (г) к высоте растения (см);
- «Индекс интенсивности» — отношение массы стебля (г) к высоте растения (см);
- «Индекс продуктивности колоса» — отношение массы зерен с колоса (г) к массе колоса с семенами и мякиной (г);
- «Индекс линейной плотности колоса» — отношение числа зерен с колоса к длине колоса (см);
- «Индекс потенциальной продуктивности колоса» — отношение массы зерен с колоса (г) к массе колоса с семенами (г), умноженное на число зерен в колосе;
- «Канадский индекс (удельный урожай колоса)» — отношение массы зерен с колоса (г) к длине колоса (см);
- «Индекс микрораспределений» — отношение массы зерен c колоса (г) к массе мякины (половы) с колоса (г).
Существуют и другие, менее распространенные и редко употребляемые индексы, построенные из морфологических мерных и счетных признаков.
Индексы, существующие в литературе по физиологии растений
Х.А.Абдуллаев и Х.Х.Каримов описывают следующие физиологические индексы:
- «Скорость увеличения площади листа» (или скорость экспансии листа) — отношение прироста площади листа (кв.см) к единице времени (сутки);
- «Интенсивность роста листа» — отношение увеличения сухой массы листа в расчете на единицу его площади (мг/кв.см).
- «Продуктивность листьев» — отношение массы хозяйственно ценных органов к массе или площади листьев. (Нечипорович и др., 1961, Амирджанов, 1963, Кумаков, 1985). Другие названия этого индекса — «зерновая нагрузка листа», «плодовая нагрузка листа» или «поверхностный урожай растений» (Зеленский, Быков, 1982), «удельная зерновая продуктивность листа» (Шевелуха, Довнар, 1976, Беденко, 1994), «эффективность ассимиляционной работы листьев» (Каримов, Абдуллаев, 1994, Абдуллаев и др., 1994), «запрос колоса на ассимиляты» (Кершанская и др., 1998). В англоязычной литературе этот индекс обозначается «leaf efficiency».
- «Индекс Ларсона» (Larsson, 1982) — отношение длины корней к площади листьев у 10-дневных проростков, выращенных на питательном растворе.
- «Индекс В.А.Кумакова» (1974) — отношение длины последнего листа к предпоследнему. Выявлено, что в условиях среды, типичной для зоны Саратова, индекс Кумакова «записывает» на себе генетическую засухоустойчивость сортов пшеницы во вторую половину вегетации при сравнении деляночных посевов сортов (при отношении средней длины последнего листа к средней длине предпоследнего). Однако этот индекс не обладает возможностью идентифицировать единичные генотипы в расщепляющейся популяции F2, так как зауряд-ный генотип, попавший во влажную микронишу, даст такой же индекс, как засухоустойчивый генотип, попавший в сухую микронишу.
- «Удельная поверхностная плотность листа» — отношение сухой массы листа к его площади (косвенно характеризует толщину листа). Другое название этого индекса, встречающее в литературе — удельная масса высушенного листа.
- «Содержание хлорофилла на единицу посева» — отношение среднего суммарного содержания хлорофилла группы растений к размеру площади посева — именуется также хлорофильным индексом. Измеряется в г/кв.м, кг/га, тонна/га за вегетационный период.
В настоящее время все перечисленные индексы используются вне обоснования их прогностической ценности с точки зрения теории эколого-генетической организации сложных признаков продуктивности. На пригодность того или иного индекса в селекции в конкретной зоне селекционеры обычно выходят «на ощупь», т.е. методом проб и ошибок.
Кроме привлечения названной теории, для построения полной теории селекционных индексов необходимо еще знать роль каждой из семи генетико-физиологических систем, о которых уже говорилось, и с помощью которых селекционеры повышают урожай вновь создаваемых сортов-линий или сортов-популяций
Цели построения и использования индексов в селекции на повышение урожая
1. Для идентификации и отбора физиолого-генетических систем, повышающих урожай (аттракции, микрораспределений, адаптивности, горизонтального иммунитета, «оплаты» лим-фактора почвенного питания, толерантности к загущению, генетической вариабельности длин фаз онтогенеза).
Эти системы нельзя количественно описать «абсолютными величинами», они не являются признаками и проявляют себя лишь в определенных признаковых координатах, где обнаруживается разнонаправленность их реагирования на экологические и генетические воздействия. Поскольку эти системы быстро и просто без дорогостоящего оборудования и приборов могут быть изучены в виде индексов, они используются селекционерами и довольно активно внедряются в селекционные технологии.
Инициатива Менделя «изучать генетику признаков», подхваченная с 1900 года генетиками, включая Ю. А. Филипченко, привела к нынешней ситуации, когда мы практически ничего не знаем о генетике аттракции, микрораспределений, многих полигенных адаптивных свойств, горизонтального иммунитета, «оплаты» азота, фосфора, калия, толерантности к загущению. Кое-что известно о вариабельности длин фаз онтогенеза (гены яровизации и фотопериодизма), но о полигенной вариабельности почти ничего не известно. Т.е. мы практически не знаем генетики семи главных «рычагов» генетического повышения урожаев растений.
Кроме того, очень мало известно о генетике групповых свойств фитоценозов: аллелопатии, конкурентоспособности, аменсализма, комменсализма, внутренней освещенности в ценозе, о генетике шунтирующих путей реализации гомеостаза урожая и т.п.
Таким образом, вряд ли давняя традиция генетики — «надо изучать генетику признаков» — сегодня является бесспорной. В принципе, на растении можно найти и замерить десятки и сотни тысяч признаков, т.е., образно говоря, число признаков может существенно превышать число генов в геноме. Изучив менделевскую генетику каждого признака, мы получим существенный «ворох» экспериментальной информации, который вряд ли будет полезен селекционеру.
Для селекции много важнее создание экспрессных методов точной идентификации семи главных физиолого-генетических систем, повышающих урожай в данной конкретной среде, а не генетическая характеристика количественного признака, которая обязательно изменится в другой среде.
Индексы аттракции и микрораспределений широко работают в селекционных технологиях. Однако их использование требует тщательного анализа их информативности на фоне разных лим-факторов внешней среды.
Мы лишний раз убеждаемся в правоте замечательного итальянского эколога Джироламо Ацци, которого очень ценил Н. И. Вавилов, и который еще в 30-е годы прошлого столетия писал: «Те признаки, на которых основана ботаническая классификация различных форм пшеницы, никоим образом не связаны с различными степенями продуктивности и устойчивости — двумя основными моментами урожая. Поэтому изучение сортов и форм отдельных видов с ботанической точки зрения не может быть использовано при оценке хозяйственных особенностей многочисленных форм и сортов пшеницы…. Мы идем таким путем, который начинается не исследованием растения, а изучением окружающей среды, факторы которой, особенно метеорологичекие, могут с достаточным приближением указать нам степень продуктивности и степень устойчивости каждой формы к отдельным неблагоприятным условиям».
2. Для элиминации средовых (модификационных) эффектов, отраженных на компонентных признаках индекса, но исчезающих при построении индекса.
Предположим, что F2 популяция растет на делянке в Саратове (почвенная засуха практически в течение всего периода онтогенеза, усиливающаяся во вторую половину вегетации). Почвенная влага распределена по делянке неравномерно («ямки-бугорки»). Растение заурядного генотипа, попавшее в «ямку» с водой и азотом даст более длинный и более тяжелый колос. Отбор по абсолютным значениям «длины» и «массы колоса» приведет к грубой ошибке — селекционер отберет плюсовую модификацию.
Если в данном случае использовать «канадский индекс» — отношение массы зерна в колосе (г) к длине колоса (см), то модификационное влияние влажной микрониши исчезает, и индекс «пишет» на себе эффекты генов аттракции (продуктивность одного см колоса). Но если растение с более длинным и более тяжелым колосом является ценным засухоустойчивым генотипом, растущим в средней или сухой микронише, то канадский индекс «не заметит» этих ценных полигенов, и селекционер отбросит их так же, как ранее отбросил эффект влажной «ямки». Индекс опять «запишет» на себе только эффекты генов аттракции.
Чтобы различить, какое из фенотипически мощных растений является модификацией, а какое — ценным засухоустойчивым генотипом, необходимо в середине дня, когда выражен водный дефицит листьев, после фазы онтогенеза «молочная спелость» замерить импеданс — полное внутреннее сопротивление ткани флагового листа или стебля переменному электрическому току. Для этого существуют легкие портативные приборы с двумя иголками на щупе, которые втыкают в лист и снимают показания оводненности ткани. У модификаций во влажной «ямке» импеданс будет низким, а у засухоустойчивого генотипа в сухой микронише — высоким.
Теперь рассмотрим, какую информацию может нести для селекции канадский индекс, замеряемый, например, в Западной Сибири (Тюмень, Омск, Новосибирск). Для этих зон типична весенне-летняя засуха (конец мая и весь июнь, как правило, без дождей). Яровая пшеница в фазе кущения «пересиживает» эту засуху. В фазе кущения закладываются меристематические бугорки, их число определит в дальнейшем число колосков и зерен в колосе.
Чем менее засухоустойчив генотип в фазу кущения, тем меньше зерен будет в колосе, и тем короче будет колос. В июле — августе дожди и тепло обеспечат избыток продуктов фотосинтеза, которые в фазу налива устремятся в колос. Малое число зерен в колосе приведет к увеличению массы одного зерна, и канадский индекс повысится. Если селекционер будет вести отбор по высоким значениям канадского индекса, это приведет к генетическому снижению засухоустойчивости в фазе кущения. Можно видеть, что для условий Западной Сибири этот индекс не пригоден.
Рассмотрим информативность полтавского индекса (PI) — отношения массы зерна с колоса (г) к длине верхнего междоузлия (см). Масса зерна с колоса определяется числом зерен в колосе (ЧЗК) и массой одного зерна (МЗ). Если в фазу кущения не было засухи, то ЧЗК будет достаточно большим. Если в фазу налива не было жары, засухи или холода, то МЗ будет высокой. Если и в фазы «выход в трубку» и «колошение» не было экологических стрессов, то PI будет высоким тогда, когда верхнее междоузлие будет коротким. Т.е. повышение PI в этом случае будет отражать генетическую моногенную (или полигенную) короткостебельность (известно, что гены короткостебельности наиболее сильно сокращают длину верхнего междоузлия). В этом случае PI очень полезен для селекции.
Если же экологический стрессор «ударит» по фазе кущения или фазе налива, или по фазе «выход в трубку», PI не сможет «записать» на себе ценную генетическую информацию, и отбор по PI не даст значимого селекционного результата.
В заключение необходимо подчеркнуть следующее.
1. Использование индексов в селекции растений полезно и совершенно необходимо, так как большинство из семи физиолого-генетических систем повышения урожая не являются признаками, а представляют собой индексы, которые проявляют себя и позволяют дать себе количественную оценку в строго определенных признаковых двумерных координатах.2. Информация, которую несет на себе индекс, применяемый на ранних этапах селекции, может быть ненужной для результатов отбора, или, наоборот, очень полезной. Это зависит от действия лим-факторов на компоненты индекса и от «вывода» на них разных спектров генов в разных средах.
3. Предложен подход и метод оценки пригодности разных индексов в технологиях отбора в разных средах и метод оценки качества генетической информации, которую индекс несет в конкретной среде
4. В дальнейшем необходимо проанализировать с точки зрения ТЭГО количественных признаков другие индексы, включая физиологические, на их работоспособность в селекции растений в разных средах.