Селекция и семеноводство зернобобовых и крупяных культур: состояние, проблемы и пути решения

В.И. Зотиков, член-корр. РАН, доктор с.-х. наук, профессор

(Справка к научному сообщению на совещании в РАН)

Зернобобовые и крупяные культуры имеют большое продовольственное, кормовое и агротехническое значение. Генофонд зерновых бобовых культур и их диких родичей, содержащийся в коллекции ВИР, представляет репрезентативную выборку мирового разнообразия бобовых, употребляемых преимущественно на зерно. Коллекция, создаваемая в течение 84 лет, насчитывает более 47,3 тыс. образцов, представленных уникальными экспедиционными сборами, местными сортами, селекционным материалом, сортами, собранными со всего мира. В производственных целях используются в основном горох, соя, фасоль, чечевица, вика, люпин, кормовые бобы и в последнее время нут.

Из группы крупяных культур наибольшее распространение в мире имеют рис, гречиха обыкновенная, просо посевное. В меньшей степени используются другие просовидные культуры: чумиза, могар, пайза и просо африканское.

Всем известно, что зернобобовые культуры являются ценными по содержанию белка – 20-27%, 8 незаменимых аминокислот (лизин, триптофан, метионин и др.), богаты микроэлементами, минеральными веществами. Кроме того, зернобобовые культуры имеют большое агрономическое значение: за счёт симбиотической азотфиксации они обогащают почву доступными формами азота и в целом являются одним из лучших предшественников для большинства культур севооборота. Важная роль принадлежит зернобобовым культурам в системе кормопроизводства. В зерне гороха содержится от 100 до 300 граммов сырого протеина в пересчёте на 1 кормовую единицу.

Группа крупяных культур имеет особое значение в питании, особенно диетическом, вполне может использоваться на кормовые цели в птицеводстве, в первую очередь это относится к просовидным злакам: чумизе, могару, пайзе и просу африканскому. Последние две культуры пригодны для производства сена, сенажа и силоса.

В РФ наибольшее производственное значение имеют горох и соя. Россия занимает второе место в мире после Канады по производству гороха на зерновые цели, на её долю приходится от 10 до 20% мирового производства (10 млн т). Площадь посева в нашей стране колеблется по годам и в среднем составляет 1,5-1,7 млн га.

Ещё более ценной в питательном отношении является соя, хотя по использованию её относят к техническим культурам. В зерне сои содержится до 50% белка, 20-23% масла, продукты производства сои используются в пищевой промышленности для изготовления «белого лепестка», в качестве наполнителей в различных изделиях (около 150 блюд). Велика роль культуры в производстве концентрированных и комбинированных кормов. Поэтому не случайно площади посева сои за последние 5 лет резко увеличились и достигли 3 млн. га (3083 тыс. га в 2019 г.) и превысили суммарную площадь посева всех зернобобовых культур (2162 тыс. га). Рост посевных площадей под горохом и соей обусловлен использованием в производстве новых сортов, адаптированных к природно-климатическим условиям различных регионов страны. Эффективная селекционная работа научных учреждений способствовала стабильному росту продуктивности, повышению качества зерна, росту валовых сборов до 3336, 8 тыс. тонн зерна бобовых культур и 4344 тыс. тонн соевых бобов.

В создание новых конкурентоспособных сортов зернобобовых и крупяных культур внесли значительный вклад свыше 40 научных учреждений, входящих в систему РАН, Министерства науки и образования, Министерства сельского хозяйства.

В Госреестр селекционных достижений на 2019 год внесены: всего зернобобовых культур ( без сои) 213 сортов отечественной и 40 иностранной селекции, 105 отечественных сортов гречихи, проса и 5 иностранных. Для примера: доля отечественных сортов по гороху посевному составляет 77,7%, по гречихе – 98,15.

В Госреестр селекционных достижений внесено 68 сортов селекции ФНЦ зернобобовых и крупяных культур по 9 зернобобовым культурам, в т.ч. 18 сортов гороха, 11 – фасоли, 8 – сои, 10 – вики яровой, 5 чечевицы.

Сорта иностранной селекции, как по зернобобовым культурам, так и по сое не имели существенных преимуществ, более того, они уступали по качественным показателям, продуктивности, устойчивости к стрессовым факторам, содержанию белка, срокам созревания и уборки.

Селекция гороха последних лет отличалась созданием принципиально новых морфотипов. Более 60% сортов короткостебельные, детерминантные, с усатым типом листа, с неосыпающимися семенами. Все они отличаются объединением ряда рецессивных генов, что резко повышает требования к их семеноводству. Сложная генетическая основа таких сортов увеличивает возможности биологического засорения, что требует чаще производить сортосмену и сортообновление. Важнейшей задачей первичного семеноводства в этом случае является ускоренное производство семян элиты за счёт упрощения схем первичного семеноводства в сочетании с приёмами быстрого размножения семян и современными способами сохранения типа сорта. В настоящее время при производстве оригинальных семян параллельно с системой Государственного испытания целесообразно вести семеноводство перспективного сорта, что позволит сразу после его внесения в Госреестр селекционных достижений, допущенных к использованию, иметь такое количество семян, которое обеспечило бы под этим сортом 10-20% структуры посевных площадей в конкретном регионе. Только в этом случае семеноводства будет занимать центральное место в повышении продуктивности агроценозов.

Следует отметить, что потенциал продуктивности и особенно качества продукции зернобобовых культур и сои реализуется в производстве далеко не полностью. Главные причины заключаются в медленном внедрении новых интенсивных сортов (сортосмене и сортообновлении), недостатком специализированной техники для своевременного выполнения агротехнических приёмов по посеву, уходу и качественному проведению уборочных работ.

Учитывая существенные изменения климата, связанные с повышением температуры, аридности, участившимися экстремальными явлениями, следует правильно подходить к выбору культур и сортов, разработке сортовых технологий, особенно для скороспелых и засухоустойчивых культур. Целесообразно расширить площади посева под такими культурами, как фасоль, экспорт которой составляет около 75% от потребления, нут, отличающийся не только засухоустойчивостью, но и жаровыносливостью, чина – ценная культура с высокими кормовыми достоинствами, чечевица – исконно российская культура с высоким содержанием легкодоступных белков.

Диверсификация зернобобовых культур в растениеводстве позволит существенно улучшить обеспечение населения и животноводства растительным белком, создаст благоприятные условия для других культур севооборота, особенно озимой пшеницы.

Крупяные культуры гречиха и просо, несмотря на небольшие площади посева, играют существенную роль в формировании продовольственной корзины населения. Их недостаточное производство в отдельные годы сопровождается резким повышением рыночных цен и ажиотажным спросом (2010 г).

За последние годы площади посева гречихи возросли до 1 692 тыс.га. Более стабильно удерживаются посевные площади под просом. Они составляют в среднем 500-600 тыс. га и только в 2013 г. увеличились до 826 тыс.га. Однако их снижение в период с 2017 г по 2019 г привело к скачку цен на пшено и дефициту семян. Как для гречихи, так и для проса характерна высокая вариабельность валового сбора зерна и практически отсутствует динамика роста урожайности. Она колеблется по годам у гречихи 10-12 ц/га, у проса 12-15 ц/га. Аналогичная ситуация наблюдается в Китае, в странах Евросоюза и в соседней Украине. Основными причинами низкой продуктивности этих культур являются: не соблюдение технологий возделывания особенно сроков уборки, что сопровождается большими потерями; использование интенсивных индетерминантных сортов с длительным и неодновременным созреванием; большой долей семян массовых репродукций в сортовых посевах.

В Госреестре сортов допущенных к использованию на 2019 год 52 сорта гречихи и 58 сортов проса посевного, однако в производстве в структуре посевных площадей используются до 50% сортов допущенных к использованию 20-30 лет назад. Экономия средств на сортосмене приводит к плачевным результатам. В Госреестр включено 5 сортов гречихи селекции ФНЦ ЗБК с детерминантным типом роста, дружно созревающих, с увеличенной (32-34 г) массой 1000 зерен, высоким выходом крупы (70-74%) и содержанием белка на уровне 13-16%.

Передовые хозяйства Орловской области стабильно получают урожай гречихи на уровне 25-30 ц/га. Подобный уровень продуктивности получен при испытании новых сортов гречихи в Швейцарии в период 2016-2018 гг. В целом в ФНЦ ЗБК за последние годы создана серия высокоурожайных сортов гречихи и проса, адаптированных к широкому диапазону почвенно-климатических условий, способных давать высокие урожаи зерна не только на сортоучастках, но и в производственных условиях. Основным фактором увеличения урожайности и стабилизации производства зерна гречихи и проса является создание и ускоренное использование в производстве новых скороспелых и высокоурожайных сортов адаптированных к конкретным природно-климатическим условиям регионов страны. Необходимо переоснастить учреждения селекционной и семеноводческой техникой, создать условия для развития реального промышленного семеноводства. Все эти меры позволят обеспечить рост урожайности, повышение качества семян и экономическую эффективность производства данных культур.

В ходе изложения состояния производства зернобобовых и крупяных культур неоднократно акцентировалось внимание на вопросах селекции и семеноводства. В заключение представлена схема селекции и производства оригинальных семян, которая типична для всех научных учреждений, но имеет некоторые особенности характерные для конкретных зернобобовых и крупяных культур.

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