Выведение сельскохозяйственных культур для неопределенного будущего
Изменчивая погода создает экстремальные проблемы для селекции растений в Калифорнии. Как вывести культуры, которые будут процветать в определенных условиях, если эти условия уже нельзя предсказать?
«Это вопрос, который задаем мы все», — говорит Чарли Браммер, профессор и директор Центра селекции растений Калифорнийского университета в Дэвисе (UC Davis). «Наши погодные условия меняются так быстро, влияя на всё — от состава почвы до прогнозов по сорнякам, болезням и вредителям. На выведение нового сорта может уйти 10 лет, а для многолетних растений — еще больше. Поэтому мы должны очень быстро экстраполировать, что принесет будущее».
По словам Аллена Ван Дейнзе, директора по исследованиям Центра биотехнологии семян UC Davis, изменения уже начались. Всплеск численности насекомых и переносимых ими вирусов угрожает овощным культурам в Калифорнии и за ее пределами.
«Дополнительные четыре-шесть недель жары могут привести к появлению еще одного поколения тлей и уничтожить весь урожай», — отмечает Ван Дейнзе. «Насекомые размножаются очень быстро».
Экстремальные колебания локальной погоды создают для селекционеров большую проблему, чем долгосрочное изменение климата. Если известно, что погода станет жарче, можно к этому подготовиться. Сложность представляют именно резкие перепады — более длительные засухи и более интенсивные наводнения.
«Насекомые, сорняки и другие вредители, процветающие во влажных условиях, отличаются от тех, что встречаются во время засухи», — говорит Браммер. «Мы работаем над выведением культур, которые могут адаптироваться ко всему».
Селекционеры и инженеры UC Davis помогают культурам успевать за изменчивой погодой, используя передовые генетические стратегии, разрабатывая роботизированные сенсоры для измерения характеристик растений и обучая новое поколение селекционеров.
Ускоренная эволюция
Селекционеры UC Davis помогают создавать новые сорта почти 400 видов фруктов, овощей, орехов, зерновых и декоративных растений, выращиваемых круглый год в разнообразных условиях Калифорнии. Чтобы создать успешный сорт, селекционеры скрещивают растения с желаемыми признаками и отбирают лучшее потомство в течение нескольких поколений. По сути, именно так люди улучшали сельскохозяйственные культуры с начала земледелия 10 000 лет назад.
Но селекция стала быстрее и умнее благодаря быстрому совершенствованию секвенирования ДНК и вычислительной мощности для анализа огромного массива генетических данных.
Некоторые признаки растений, такие как вкус и размер, определяются множеством генов, действующих совместно. Другие признаки, например устойчивость к болезни, могут регулироваться одним геном. Селекционеры теперь могут идентифицировать гены, влияющие на некоторые признаки, на молекулярном уровне, что позволяет отбирать растения на стадии семени или проростка на основе их последовательности ДНК, не дожидаясь проявления признаков по мере созревания растений. Это ускоряет процесс.
«У нас есть инструменты, чтобы быстро реагировать на болезни и другие угрозы», — говорит Ван Дейнзе. «Мы надеемся сократить время выведения устойчивости к болезням с восьми лет до двух или трех».
Следующий рубеж: Быстрый фенотипирование
Для ускорения селекции геномика — лишь часть уравнения. Селекционерам также необходимо проводить фенотипирование, то есть измерять признаки по мере роста растений в поле.
«Молекулярные инструменты помогают нам находить гены, представляющие интерес для одних признаков, но вы не узнаете, что у вас есть для других признаков, пока не проведете скрещивания и не вырастите растения в поле», — объясняет Браммер. «Пытаясь решить одну проблему, нельзя по невнимательности забыть об урожайности или вкусе. А для этих признаков необходимо фенотипирование, чтобы выяснить, какие из них лучшие».
Современные методы фенотипирования медленны, трудоемки и не поспевают за генотипированием. Селекционеры используют рулетки и собственные вкусовые рецепторы для оценки урожайности и качества плодов. Фенотипирование стало узким местом в селекции.
Решение может быть уже рядом. Новые умные машины и сенсорные технологии могут автоматизировать измерение большого количества растений и делянок. Профессор Дэвид Слэтер, инженер в области биологии и сельского хозяйства UC Davis, разработал быструю систему полевого фенотипирования с высокотехнологичными камерами, которые создают трехмерные виртуальные модели каждого растения по мере его роста в поле.
«Она может измерять критические компоненты, такие как архитектура и объем растения, площадь и количество листьев, температура листьев, что помогает селекционерам определять модели роста и страдают ли растения от теплового или водного стресса», — говорит Слэтер.
Тракторная система Слэтера в настоящее время может измерять три растения в секунду, или 10 800 растений в час.
«Это революционно», — говорит Браммер. «Селекция — игра в числа. Чем больше растений вы можете изучить, тем выше ваши шансы найти действительно выдающиеся».
Сенсорные технологии также могут предоставить селекционерам общие данные, необходимые для разработки культур, способных процветать в неопределенном будущем.
«Нам нужно рассматривать как фенотипирование, так и генотипирование и связывать их со стратегиями управления посевами для оптимизации характеристик новых сортов», — заключает Браммер. «При правильном подходе мы сможем более эффективно и быстро выводить новые сорта сегодня, чтобы они хорошо показывали себя в производственных условиях завтрашнего дня».