Фотосинтез и новые сорта

Пришло время сортов с повышенной эффективностью фотосинтеза.

Александр Амелин,

руководитель ЦКП «Генетические ресурсы растений

и их использование», доктор сельхознаук,

профессор кафедры растениеводства, селекции

и семеноводства Орловского ГАУ им. Н.В. Парахина,

Благодаря созданию сортов интенсивного типа, за последние 60–70 лет урожайность многих полевых культур выросла в 3-5 раз, что позволило говорить о зеленой революции в сельском хозяйстве. Однако при всех достоинствах современные районированные сорта имеют ряд недостатков. Они эффективно реализуют свой биологический потенциал лишь при высокой культуре земледелия, в оптимальную по увлажнению и температуре воздуха погоду. Без внесения высоких доз удобрений, использования большого количества средств защиты растений и физиологически активных препаратов сегодня в мире трудно получить высокий и стабильный урожай.

Из-за этого на агроценозы увеличивается химико-техногенная нагрузка, возрастают ресурсные и энергетические не восполняемые затраты на единицу продукции, усиливается экологическая опасность, растет генетическая уязвимость, учащаются эффекты «пестицидного бумеранга» и «эволюционного танца» в системе «хозяин – паразит».

Согласно результатам, наших многолетних экспериментальных исследований, основная причина сложившегося положения заключается в том, что фотоэнергетический потенциал культурных растений в результате селекции фактически не меняется, а остается на достигнутом в ходе эволюции уровне. Для получения высокого, качественного и стабильного урожая требуется значительно больше энергии, чем ее усваивают современные культурные растения.

Необходимо повышение активности и эффективности использования фотосинтеза, где скрыты огромные, но мало используемые резервы. Современные посевы сельхозкультур 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%, что позволит получать не только высокий, стабильный, качественный, но и экологически безопасный урожай за счет существенного снижения химических средств защиты растений и эффективного использования продуктивной влаги и элементов минерального питания.

Ученые, занимающиеся данной проблемой, убеждены, что улучшение показателей фотосинтеза даст качественно иную возможность в обеспечении скачка урожайности. По прогнозам ООН, к 2050 г. мировому сообществу для поддержания продовольственной безопасности необходимо увеличить урожайность основных культур на 70%, так как исчерпаны возможности расширения посевных площадей.

Причем, данную проблему следует решать в тесной связи с наметившимися тенденциями изменения климата на планете, так как увеличение концентрации СО2 в атмосфере может положительно повлиять на продуктивность растений с С3-фотосинтезом, особенно в засушливых регионах.

Ставится глобальная задача – поменять у растений тип фотосинтеза С-3 на С-4, который является эволюционно более молодым и намного эффективным. Если удастся это сделать, для чего есть все объективные предпосылки, то мировое сельхозпроизводство перейдет на качественно новый этап развития, в основе которого будет лежать использование восполняемого природного источника энергии солнца, а не исчерпаемых углеводородных соединений.

Разрабатывать научно-методические подходы в селекции на фотосинтез начали еще в середине прошлого столетия. Множеством исследований было 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 вместе с прилистниками в фотосистеме растения может достигать 86%.

При этом, отмечается огромный полиморфизм генофонда сельхозкультур по показателям активности фотосинтеза. По нашим экспериментальным данным, в период репродуктивного развития интенсивность фотосинтеза листьев варьирует у сортообразцов 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, гречихи – от 4 до 16; яровой пшеницы – от 12,32 до 15,68, озимой пшеницы – от 1,97 до 18,65 μмоль CO22с.. Это тесным образом согласуется с результатами других исследователей.

Таблица 1 – Интервал генотипического варьирования интенсивности фотосинтеза у сельхозкультур с С-3 и С-4 типом фотосинтеза

Наименование культуры

Число изученных образцов

Интенсивность фотосинтеза, мг СО2 / дм2

С-3 механизм ассимиляции СО2

пшеница

35

20,4 – 43,4

ячмень

18

17,7 – 21,0

овес

20

24,2 – 47,9

рис

16

16,1 – 33,1

горох

25

12,8 – 30,0

бобы

12,0 – 17,0

фасоль

10

13,5 – 18,5

соя

36

12,0 – 24,0

подсолнечник

47

37,0 – 44,0

хлопчатник

26

20,0 – 40,0

томаты

24

17,9 – 28,9

капуста

8

10,9 – 14,9

свекла сахарная

7

19,5 – 38,4

картофель

9

25,7 – 32,3

С-4 механизм ассимиляции СО2

кукуруза

64

22 – 52

сорго

10

54 – 104

просо

2

34 – 54

Важно, что многие показатели фотосинтетической активности имеют высокую генотипическую обусловленность. К примеру, коэффициент наследуемости интенсивности фотосинтеза составляет: у пшеницы и райграса – 0,93; овсяницы тросникововидной – 0,83; гороха – 0,70; бобов- 0,60; сои – 0,43. Данные такого характера побудили некоторых исследователей даже провести целенаправленный отбор на повышение интенсивности фотосинтеза и получить положительный результат, в частности, по овсянице тросникововидной, кукурузе, гороху, сое.

Таблица 2 – Наследственная обусловленность показателей фотосинтетической деятельности сельхозкультур

Наименование культуры

Показатель

Коэффициент наследуемости

Повышение ИФ в результате отбора, в % от исходного

С-3 механизм ассимиляции СО2

пшеница

ИФ

Содержание Хл.

0,93

ячмень

РБФК

УПП листьев

0,67

0,74

горох

ИФ

0,70

30 – 40

бобы

ИФ

0,60

соя

ИФ

0,43

13

хлопчатник

ИФ

Площадь листьев

0,66

0,75

свекла сахарная

ИФ

УПП листьев

0,41

0,45

райграс

ИФ

0,93

овсяница тросникововидная

ИФ

Содержание Хл.

Ширина листа

0,83

0,97

0,90

до 90

С-4 механизм ассимиляции СО2

кукуруза

ИФ

0,58

до 50

С большой долей вероятности можно утверждать, что целенаправленная работа на повышение активности фотосинтеза и эффективности его использования в продукционном процессе растений может быть достаточно успешной.

До 2010 г. целенаправленная масштабная селекция на повышение фотоэнергетического потенциала культурных растений и его эффективное использование фактически не проводилась ни в России, ни в других странах. Одна из причин – основной запрос производства был на высокую урожайность и технологичность, что удавалось обеспечить классическими методами селекции и без ускорения фотосинтеза.

Однако ситуация в настоящее время существенно изменилась, и в развитых странах мира (США, Великобритания, Китай, Австралия) в начале ХХ1 века ведется работа в рамках международного проекта, который курируют американские ученые университета штата Иллинойс. В исследования вовлечены специалисты из ведущих научно-образовательных учреждений: Австралийского национального университета, исследовательской станции Ротамстед (Великобритания), Университета Эссекса (Великобритания), Университета Шанхая в Китае и Министерства сельского хозяйства США.

В России, практическая работа по созданию сортов с повышенной активностью и эффективностью фотосинтеза начала проводиться с 2014 г. небольшим коллективом ученых ЦКП «Генетические ресурсы растений и их использование» Орловского ГАУ совместно с селекционерами ФГБНУ ФНЦ зернобобовых и крупяных культур и ФГБНУ Всероссийский НИИ селекции плодовых культур. Сейчас к этой работе подключились и селекционеры по пшенице Белгородского ГАУ им. В.Я. Горина. Выражают желание совместно работать по данному направлению и специалисты других аграрных вузов Ассоциации ЦФО. Исследования осуществляются по наиболее распространенным сельхозкультурам: горох, соя, гречиха, яровая и озимая пшеницы, черная смородина. Разработаны оригинальные способы оценки генетических ресурсов и отбора перспективного материала у гороха по интенсивности фотосинтеза (патент на изобретение №2626586), по интенсивности транспирации у гречихи (патент на изобретение №2618836), по устьичной проводимости у сои (заявка на изобретение №2017143264/10(074548), по отзывчивости на инсоляцию у яровой пшеницы (заявка №2018128808). Проведен скрининг генетических ресурсов данных культур и выделены для селекции десятки источников ценных признаков и свойств. В 2015 году с использованием показателей активности фотосинтеза в ФГБНУ ФНЦ зернобобовых и крупяных культур совместно с Орловским ГАУ, был создан первый сорт гречихи Даша и передан в государственную комиссию по сортоиспытанию, которая предложила его районировать с 2017 г. Отобран перспективный селекционный материал и по другим культурам.

Однако, начатая селекционная работа, пока, находится в стадии становления, ведется в ограниченных объемах и базируется в основном на личной инициативе, а ее материально-технические и финансовые возможности недостаточны. Целесообразно организовать физиолого-генетический центр по фотосинтезу, используя научно-методические наработки и материально-техническую базу ЦКП «Генетические ресурсы растений и их использование» Орловского ГАУ. Для достижения данной цели в 2015 году разработан инновационный проект «Создание сортов сельскохозяйственных культур нового поколения — с повышенным фотоэнергетическим потенциалом и эффективным его использованием, как цели селекции в обеспечении продовольственной безопасности России» и Программа подготовки специалистов по его реализации.

Проект разработан в рамках Ассоциации аграрных Вузов ЦФО (ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина», ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет», ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет», ФГБОУ ВО «Рязанский агротехнологический университет им. П.А. Костычева», ФГБОУ ВО «Курская сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова») и Университетского научно-образовательного комплекса Орловщины, созданного на базе Орловского ГАУ в 2003 году, куда вошли Всероссийский НИИ зернобобовых и крупяных культур, Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Шатиловская СХОС и другие научные учреждения региона.

Научным руководителем проекта утвержден Амелин Александр Васильевич, доктор с.-х. наук, руководитель ЦКП Орловского ГАУ, профессор кафедры растениеводства, селекции и семеноводства, член Научно-технического совета при Правительстве Орловской области; член Всероссийского общества физиологов растений; член-корреспондент Российской Академии Естествознания, действительный эксперт РАН в области селекции и семеноводства.

Проект направлен на повышение конкурентоспособности российского сельскохозяйственного производства и его продукции за счет повышения экологической безопасности, снижения себестоимости (на 10-15%); внедрения технологий ресурсосбережения и рационального природопользования, ускорения селекции на 1-2 года. Поставлена задача — на основе получения и использования новых физиолого-генетических знаний разработать современные высокоэффективные технологии получения сортов нового поколения. Для достижения данной цели и решения задачи используются как классические методы селекции, так и нетрадиционные – экспресс – методы определения показателей фотосинтетической активности: фотохимическое и нефотохимическое тушение; квантовый выход света; интенсивность газообмена СО2; интенсивность транспирации; интенсивность устьичного сопротивления; норма реакции фотосинтетической системы генотипов на интенсивность освещения, концентрацию в воздухе молекул углекислоты, температуру и увлажнение воздуха. Их учет проводится с помощью современных портативных переносных приборов, которые позволяют это делать в полевых условиях на интактных растениях в режиме реального времени, сохраняя ценный материал для последующей селекционной проработки. Для проведения полномасштабной селекционной работы в этом направлении важно организовать физиолого-генетический центр по фотосинтезу, который должен будет координировать данную деятельность.

В 2018 году решением Российской Академии Естествознания и Международной ассоциацией ученых, преподавателей и специалистов, данное направление было занесено в «Реестр новых научных направлений» (Свидетельство №0133 от 29.11. 2018г) и отмечено Международным Дипломом (№ 68- 2018г) и Медалью «European scientific and industrial consortiumSocrates» (Удостоверение к награде №719/152/2018), а также Медалью имени Н.И. Вавилова (Сертификат №01248 от 29 ноября 2018 года).

Проект высоко оценен Министерством природных ресурсов и экологии РФ за участие в конкурсе на присуждение Всероссийской премии «Экологичное развитие Evolution Awards 2016» по номинации «Лучшее решение в области «зеленых» технологий».

Проект прошел зарубежную экспертизу, получив положительную оценку 8 специалистов; он активно поддерживается профессиональным сообществом и отечественных ученых.

Источник: материал предоставлен автором

Поделиться