Скрытые резервы фотосинтеза.
Фотоэнергетический потенциал — «Клондайк» в селекции
Амелин А.В., д. с.-х.н., Фесенко А.Н.*, д. б.н., Чекалин Е.И., к. с.-х.н., Заикин В.В., к.с.-х.н., Задорин А.М.*, к.с.-х.н., Городов В.Т.**, к.с.-х. н., Кулешова И.В.**, к. с.-х.н.
Центр коллективного пользования «Генетические ресурсы растений и их использование», Орловский ГАУ имени Н.В. Парахина
*ФГБНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур
** ФГБОУ ВО «Белгородский ГАУ им. В.Я. Горина»
Селекция и экономика в цифрах
За последние 60–70 лет благодаря селекции урожайность многих полевых сельскохозяйственных культур выросла в 3–5 раз. Вклад сорта в формирование урожая стал составлять 30–80% и более. По расчетам специалистов, средняя прибыль, полученная в США за последние 30–50 лет от применения генетических методов и внедрения новых сортов пшеницы, кукурузы, сои, сорго и хлопка, равна примерно 1% в год, а вклад в общую прибыль от урожая — более 50%.
Обратная сторона интенсификации
Современные сорта эффективно реализуют свой биологический потенциал лишь при высокой культуре земледелия, в оптимальную по увлажнению и температуре воздуха погоду. В неблагоприятных условиях, особенно в засуху и при воздействии вредителей и болезней, они по-прежнему сильно снижают урожайность. В сельскохозяйственном производстве увеличивается химико-техногенная нагрузка на агроценозы, возрастают ресурсные и энергетические невосполняемые затраты на единицу продукции, усиливается экологическая опасность, урожайность год от года непостоянна, растет генетическая уязвимость, учащаются эффекты «пестицидного бумеранга» и «эволюционного танца» в системе «хозяин – паразит», происходит экспансия зарубежных сортов по ряду сельскохозяйственных культур (Жученко А.А., 2001, 2004).
По нашим экспериментальным данным, основная причина сложившегося положения обусловлена тем, что фотоэнергетический потенциал культурных растений в результате селекции фактически не меняется, а остается на достигнутом в ходе эволюции уровне. И, очевидно, его возможностей уже не хватает, чтобы одновременно обеспечить получение высокого, качественного и стабильного урожая, так как для этого требуется значительно больше энергии, чем ее усваивают современные культурные растения.
Скрытые резервы фотосинтеза
Изменить данную ситуацию традиционными методами, опирающимися при оценке селекционного материала на морфологические признаки и элементы структуры урожая, проблематично. Ведь у многих сельскохозяйственных культур они во многом оптимизированы в основных природно-экономических зонах их производства.
Остается один выход — повышение активности и эффективности использования в продукционном процессе фотосинтеза, где скрыты огромные, но мало используемые резервы. Научно доказано, что современные посевы сельскохозяйственных культур реализуют фотосинтетическую активную радиацию в накоплении урожая с КПД всего лишь 0,5–0,9%, в лучших случаях 1–2%. Эту величину можно довести у растений с типом фотосинтеза С3 до 4–5%, а С4 — 6%. И если удастся это сделать, то урожайность приблизится к максимально возможному уровню (Ничипорович А.А., 1977, 1979; Мокроносов А.Т., 1981; Ort D.R., 2015).
Ученые считают, что улучшение показателей фотосинтеза дает новую возможность в обеспечении скачка урожайности, необходимого сейчас всему миру (Xin-Guang Zhu, Long S.P., Ort D.R., 2008, 2010; Monteith J.L., 2014; Ort D.R., 2015;Slattery R.A.,Ort D.R., 2015). По прогнозам ООН, к 2050 г. мировому сообществу для поддержания продовольственной безопасности необходимо будет увеличить урожайность основных культур на 70%, так как расширение посевных площадей исчерпало свои возможности.
При этом обозначенную проблему предлагается рассматривать в тесной связи и с наметившимися тенденциями глобального изменения климата на планете, так как увеличение концентрации СО2 в атмосфере может положительно повлиять на продуктивность растений с С3-фотосинтезом, особенно в засушливых регионах (Bishop K.A., 2014).
Наступает час «Х»
Однако следует заметить, что селекцией на повышение фотоэнергетического потенциала культурных растений и его эффективное использование фактически не занимались, ни у нас, ни в других странах мира. Почему? Видно, тогда еще не пришло время.
Во-первых, во второй половине прошлого века не было установлено положительной устойчивой корреляции между интенсивностью фотосинтеза и урожайностью многих культур (рис, томаты, пшеница, сорго, фасоль, хлопчатник). Урожайность зерновых можно было удвоить и без ускорения фотосинтеза.
Во-вторых, этот показатель зависит от множества факторов, обусловливающих сложную систему наследования. В то время попытки активно повлиять на активность фотосинтеза путем изменения отдельных критериев не дали желаемых результатов.
В — третьих, селекционеры советского периода не обладали необходимыми технологиями учета показателей активности фотосинтеза, экспресс-методами, чтобы оценивать большое количество генетического материала, выявлять и сохранять перспективные образцы.
Однако сегодня решение данной проблемы настолько важно для продовольственной безопасности России, что требует незамедлительного рассмотрения на федеральном и региональном уровнях. Ведь создание сортов сельскохозяйственных культур с повышенным фотоэнергетическим потенциалом и эффективным его использованием позволит получать не только высокий, стабильный и качественный урожай, но, что очень важно, экологически безопасный.
Страны, обладающие такими сортами, будут иметь неоспоримые преимущества на агропродовольственном рынке, по сравнению с другими его участниками, о чем свидетельствует выраженная динамика развития мирового производства экологически чистых продуктов: если в 1999 г. объем продаж такой продукции составлял 15,2 млрд долл. США, то к 2011 г. он вырос более чем в 4 раза и достиг 68 млрд долл. В целом, повышение эффективности использования неисчерпаемых природных ресурсов — солнечной радиации — через управление фотосинтезом (увеличение КПД ФАР) позволит создать не только эффективное, экологически безопасное, но и адаптивное растениеводство.
С чего начать?
Научно-методические исследования по этой проблеме мы проводим с 1983 г., а целенаправленная селекционная работа (с гречихой, горохом и соей) была начата в 2009 г. по совместному проекту с учеными ВНИИ зернобобовых и крупяных культур. В 2015 г. в работу включены яровая и озимая пшеницы в рамках созданной в 2014 г. Ассоциации аграрных вузов ЦФО, куда вошли: Белгородский ГАУ, Орловский ГАУ, Брянский ГАУ, Рязанский агротехнологический университет, Курская ГСХА.
В результате исследований показано, что фотосинтетической активностью обладают все хлорофиллсодержащие надземные органы растений. Эффективность их деятельности определяется сложной системой интеграции и кооперативных связей фотосинтеза со всеми функциями растительного организма. При формировании урожая основная фотосинтетическая нагрузка в системе целого растения приходится на листья: у гороха их вклад в фотосистеме растения может достигать 86%.
При этом, отмечено огромное разнообразие генофонда сельскохозяйственных культур по показателям активности фотосинтеза. К примеру, показана значительная генотипическая вариация реакции Хилла и фотофосфорилирования у гороха. По интенсивности фотосинтеза установлен еще более широкий размах наследственной изменчивости. По нашим данным, в фазу плоского боба интервал генотипического варьирования интенсивности фотосинтеза находился в пределах: у гороха — от 2,65 до 16,57; у сои — от 6,12 до 14,38; чечевицы — от 2,31 до 10,01 μмоль CO2/м2с.
Диапазон варьирования показателей активности световых реакций фотосинтеза у изученных культур был менее широким. Квантовый выход в фазу плоского боба колебался в годы исследований: у гороха от 0,56 до 0,75; чечевицы — от 0,37 до 0,73; кормовых бобов — от 0,38 до 0,75; сои — от 0,64 до 0,75.
Полученные данные такого характера позволили нам сделать заключение, что целенаправленная работа на повышение активности фотосинтеза и эффективности его использования в продукционном процессе растений вполне может быть успешной. С этой целью были выделены источники высокой фотосинтетической активности и вовлечены в селекционный процесс, что позволило селекционерам ВНИИ зернобобовых и крупяных культур совместно с Орловским ГАУ в 2015 г. передать в Государственную комиссию по испытанию первый сорт гречихи Даша.
Нужен центр по фотосинтезу
Однако, начатая селекционная работа по созданию новых сортов с повышенной активностью и эффективностью фотосинтеза находится пока, в стадии становления и требует больших дальнейших усилий, чтобы выдержать острую конкуренцию с зарубежными научными коллективами, которые имеют значительно более высокие финансовые и материально-технические возможности по данному направлению селекции (…..). И здесь весьма важно не потерять время, так как выведение новых сортов связано с проведением большой организационной, научно-методической и практической работы. Считаем было бы целесообразно в данном случае создать в России специализированный селекционный центр по фотосинтезу, который возьмет на себя миссию по организации и координации такой работы.
Источник: журнал Селекция, семеноводство и генетика», 2016, № 6