Молекулярная селекция представляет собой значительный шаг вперед в области сельского хозяйства, позволяя ученым создавать более продуктивные и устойчивые сорта растений за короткие сроки. В данной статье рассмотрим основные понятия молекулярной селекции, маркеров, а также проблемы и преимущества этой отрасли.
Содержание
Что такое молекулярная селекция
Молекулярная селекция (molecular breeding) — это современный подход в биотехнологии, который направлен на решение селекционно-генетических задач с использованием генно-инженерных методов. Этот процесс включает в себя повышение продуктивности сельскохозяйственных растений, а также их защиту от различных биотических (например, болезни) и абиотических (например, засуха) стрессов. Ученые анализируют ДНК, чтобы определить, какие именно гены отвечают за те или иные свойства. Это позволяет выявлять желаемые гены и использовать их для создания новых сортов или гибридов с улучшенными характеристиками
Молекулярная селекция растений позволяет значительно улучшить генетические характеристики сортов:
- Продуктивность. Создание сортов с высокой урожайностью.
- Устойчивость к болезням. Разработка сортов, которые лучше противостоят патогенам.
- Стрессоустойчивость. Получение растений, способных выживать в условиях неблагоприятной окружающей среды, таких как засуха или мороз.
Преимущества молекулярной селекции перед традиционными методами
Традиционные методы селекции, такие как отбор, гибридизация и мутагенез, требуют значительного времени и ресурсов. Селекционерам зачастую необходимо увеличивать количество семенного материала, чтобы получить необходимые комбинации. Этот процесс может занять от 12 до 20 лет, что является значительным временным ресурсом. В отличие от традиционного метода, молекулярная селекция позволяет проводить предварительный отбор на ранних стадиях.
С помощью молекулярных маркеров можно быстро определить наличие искомого признака, например, устойчивости к болезням или вымоканию. После скрещивания родительских линий и проращивания полученных семян, исследование ДНК ростков дает возможность в течение 48 часов узнать, присутствует ли нужный маркер. Это позволяет селекционерам сразу же отбирать перспективные формы растений.
Генетические основы молекулярной селекции
Генетика, как наука о наследственности и изменчивости, играет важную роль в современном сельском хозяйстве. Она позволяет исследовать механизмы, благодаря которым определенные признаки передаются от одного поколения к другому. Важнейшими аспектами генетики являются наследственная изменчивость, которая формирует разнообразие в популяциях, и модификационная изменчивость, возникающая под воздействием окружающей среды.
В современном растениеводстве молекулярная генетика в селекции используется для решения двух основных задач:
- Создание новых сортов. Селекционеры стремятся достичь оптимального баланса между урожайностью и устойчивостью к биотическим (например, вредители и болезни) и абиотическим (например, засуха и мороз) факторам экологического стресса. Это требует детального понимания генетических основ, лежащих в основе этих характеристик.
- Уменьшение энергоемкости и биологизация агротехнологий. В условиях растущей необходимости в устойчивом сельском хозяйстве важно не только повышать урожайность, но и снижать затраты на ресурсы и энергию. Генетические исследования помогают выявить сорта, которые требуют меньших затрат на уход и более эффективно используют ресурсы.
Молекулярные маркеры в селекции
Молекулярные маркеры в селекции — это короткие сегменты ДНК, обладающие известным местоположением в геноме. Они наследуются вместе с определенными признаками.
Одним из главных преимуществ использования молекулярных маркеров является возможность идентификации признаков на ранних стадиях развития растений. Например, устойчивость к грибковым заболеваниям или вымоканию может быть определена еще до того, как растение достигнет взрослого состояния. Это позволяет селекционерам быстрее и точнее отбирать наиболее перспективные экземпляры, не дожидаясь проявления признаков в полевых условиях.
Кроме того, молекулярные маркеры позволяют производить отбор характеристик вне зависимости от влияния окружающей среды. Если в текущем году условия для вымокания не возникают, традиционные методы селекции могут оказаться неэффективными. Однако геномная селекция, основанная на молекулярных маркерах, позволяет установить, что будущий сорт будет устойчив к этому стрессу, даже если он не проявляется в данный момент.
Фото: Freepik
Типы молекулярных маркеров
Наиболее широко используемые ДНК-маркеры условно можно разделить на несколько типов, каждый из которых имеет свои особенности и области применения:
1. Маркеры участков структурных генов. Первый тип маркеров включает участки структурных генов, которые кодируют аминокислотные последовательности белков. Эти маркеры, известные как электрофоретические варианты белков, позволяют исследовать полиморфизм белков, что может быть полезно для идентификации сортов и линий. Они обеспечивают информацию о функциональных признаках, связанных с конкретными генами.
2. Маркеры некодирующих участков структурных генов. Эти маркеры не кодируют белки, но могут играть важную роль в регуляции генов и других биологических процессах. Исследование таких маркеров помогает понять сложные взаимодействия между генами и их продуктами.
3. Маркеры различных последовательностей ДНК. Третий тип включает маркеры, отношение которых к структурным генам зачастую неизвестно. К ним относятся:
— RAPD (случайно амплифицируемая полиморфная ДНК): этот метод позволяет выявлять полиморфизм путем амплификации случайных участков генома с использованием коротких праймеров.
— ISSR (инвертированные повторы): использует инвертированные повторы для амплификации определенных участков ДНК, что позволяет выявлять вариации в пределах генома.
— AFLP (полиморфизм в сайтах рестрикции): этот метод сочетает в себе рестрикционный анализ и полимеразную цепную реакцию, позволяя выявлять множество полиморфизмов одновременно.
4. Микросателлитные локусы. Это тандемные повторы с длиной элементарной единицы от 2 до 6 нуклеотидов. Отвечают за участок ДНК, расположенный в конкретной хромосоме и содержащий короткие повторы.
Принципы и методы молекулярной селекции растений
Методы молекулярной селекции можно разделить на три ключевых раздела:
- Селекция с помощью маркеров. Этот метод позволяет агрономам анализировать генетический материал растений для выявления маркерных генов, связанных с определенными признаками. С помощью лабораторных исследований можно определить стадию расщепления семенного материала и его потенциальную ценность.
- Обратное скрещивание с помощью маркеров. Этот процесс включает в себя использование молекулярных маркеров для возвращения к желаемым характеристикам, которые могли быть потеряны в результате предыдущих скрещиваний. С помощью этого метода можно быстро и эффективно восстанавливать ценные признаки в новых сортах.
- Картирование локусов количественных признаков (QTL). Картирование QTL связано с поиском геномных областей, которые влияют на количественные характеристики, такие как урожайность, устойчивость к болезням и стрессоустойчивость. Этот метод позволяет лучше понять, какие гены отвечают за определенные качества, что способствует более целенаправленной селекции.
Проблемы и перспективы молекулярной селекции
Молекулярная селекция растений — это одна из самых перспективных областей агрономии, которая обещает значительные улучшения в производстве сельскохозяйственных культур. По данным исследований, мировой рынок молекулярной селекции оценивался в 2,25 млрд долларов США в 2020 году и, согласно прогнозам, достигнет 9,74 млрд долларов к 2029 году при среднегодовом темпе роста 18,5% с 2022 по 2029 год. Этот рост обусловлен растущей потребностью в продовольствии и необходимостью создания культур, более устойчивых к негативным воздействиям окружающей среды.
Несмотря на многообещающие перспективы, молекулярная селекция сталкивается с рядом серьезных проблем:
- Низкий уровень финансирования научных разработок. Одной из основных преград для развития молекулярной селекции является недостаточное финансирование. Государственная поддержка остается на низком уровне, а участие регионов в развитии селекционно-семеноводческой отрасли также недостаточно активно. Это приводит к дефициту ресурсов для проведения необходимых исследований и разработок.
- Недоступность кредитных линий. Селекционные стартапы часто сталкиваются с трудностями в получении финансирования. Недостаток кредитных программ и господдержки ограничивает возможности для инновационных разработок и внедрения новых технологий.
- Низкая инвестиционная привлекательность. Частные инвесторы не спешат вкладывать средства в селекционную отрасль, что также затрудняет ее развитие из-за отсутствия стимула.
Молекулярная селекция обладает огромным потенциалом:
- Увеличение урожайности. В условиях растущего мирового спроса на продовольствие необходимо повышать урожайность сельскохозяйственных культур. Молекулярная селекция может помочь в создании сортов, которые будут давать более высокий урожай при меньших затратах ресурсов.
- Создание устойчивых культур. В условиях изменения климата и увеличения числа вредителей и болезней важно разрабатывать культуры, способные противостоять экологическим стрессам. Молекулярные технологии позволяют более точно манипулировать генетическим материалом, создавая сорта с высокой устойчивостью.
Современную селекцию масличных обсудят эксперты и участники рынка на IX Международном конгрессе «Масложировая индустрия» 17-18 октября в Санкт-Петербурге. Переходите по ссылке, где вы сможете познакомиться с подробной программой конгресса и пройти предварительную регистрацию.
Елизавета Левкина, sfera.fm
