Конструкторы культуры

В 1759 году в Ботаническом саду, размещавшемся на Второй линии Васильевского острова в Петербурге, начал опыты по скрещиванию различных видов растений 27-летний доктор медицины, адьюнкт ботаники и натуральной истории Российской академии наук Йозеф Готлиб Кёльрёйтер (1733-1806). После многочисленных тщетных попыток доказать существование пола у представителей земной флоры он, наконец, получил желанный межвидовой гибрид русской махорки и метельчатого табака. Еще не подозревая о том, что растительные гибриды уже удалось создать у тыкв, кукурузы, гвоздики, флоксов, огурцов и тюльпанов, естествоиспытатель ликовал.

Вернувшись в 60-х годах в Лейпциг, он в местном ботаническом саду перенес пыльцу рослого перуанского табака на обыкновенный табак и получил семена. Об этой насильственной "свадьбе" вскоре заговорили все ботаники мира. И высотой стебля, и величиной листьев гибрид значительно превосходил своих родителей. Самым ошеломляющим результатом было гораздо более раннее цветение, созревание и пожелтение листьев. Повторение этого опыта в Берлине дало тот же эффект. Полученные гибридные семена Кёльрёйтер послал в Петербург, в Вольное экономическое общество. Уже став почетным членом Российской академии, он предлагал использовать вызванную им биологическую вспышку для создания новых культурных растений.

"Абсурдную" идею первого гибридизатора просвещенные мужи встретили с недоверием: от нее попахивало алхимией, служители которой некогда пытались превратить свинец в золото. Между тем метаморфозы, научно объясненные Кёльрёйтером, были известны еще древним грекам. Аристотель, заметивший*, что при различных скрещиваниях у растений ускоряется рост, увеличиваются размеры, повышается жизнестойкость и плодовитость потомства, назвал это явление "гибридной силой".

Что же касается гибридной кукурузы, полученной путем перекрестного опыления, то большую силу ее развития первым описал Ч. Дарвин в труде "Действие перекрестного опыления и самоопыления в растительном мире". Ученый наблюдал неблагоприятные результаты самоопыления, сказывающиеся на интенсивности роста и жизнеспособности перекрестноопыляющихся культур. Ч. Дарвин установил, что самоопыление на протяжении нескольких лет подряд приводит к резкому уменьшению размера растений, снижению интенсивности обмена веществ и продуктивности. Причина резкого уменьшения жизнеспособности организмов при близкородственном скрещивании кроется в высокой степени гомозиготности (сопряженности) таких растений по многим мутантным генам, находящимся в рецессивном (подавленном) состоянии. Она неблагоприятна для растений, которые подвергались длительному самоопылению (инбридингу). В то же время, считал ученый, чем больше родительские формы различаются между собой по морфологическим, биологическим и другим признакам и свойствам, тем сильнее проявляется "гибридная сила" в потомстве. Эти наблюдения Ч. Дарвина во многом предопределили работы И. В. Мичурина. Используя половую гибридизацию, он вывел около 300 сортов плодоягодных культур.

О выводах Ч. Дарвина узнал и американский ботаник У. Д. Бил. На опытной станции Мичиганского сельскохозяйственного колледжа он в 70-х годах прошлого века повторил опыты Кёльрёйтера на двух ранних сортах маиса, удалив метелки до цветения на одном из нив.

В нашей стране межсортовое скрещивание начал в 1910 году В. В. Таланов, который вывел два гибрида: Грушевская X Лиминг и Стерлинг X Король Филипп. Полученное потомство дало по 164 пуда зерна с десятины, хотя по вегетационному периоду родительские формы еще не подходили друг к другу.

Изучение генетики близкородственных линий ряда растений позволило разработать методы использования их для создания высокопродуктивных гибридов. При правильном соединении таких линий удается в ходе скрещивания получить гибриды, по мощности своего развития значительно превышающие родительские линии и те исходные формы, из которых эти линии получены.

В 1914 году по предложению американского генетика Г. Шелла, впервые получившего двойные межлинейные гибриды маиса, явление превосходства нового потомства над родителями, обещающее удивительные превращения растений, было названо гетерозисом. Сегодня этим термином обозначают явление резкой вспышки гибридной мощности в первом поколении от скрещивания самоопыленных линий, а также сортов растений, различающихся между собой по наследственным качествам. В следующих гибридных поколениях гетерозис обычно угасает и через два-три поколения совсем исчезает.

В 1917 году Д. Джонс разработал основы метода промышленного выращивания таких гибридов. Так кукуруза стала первым растением, у которого получение гетерозисных гибридов было поставлено на промышленную основу.

Именно на этой культуре был достигнут наибольший эффект в использовании всплеска жизненной силы, сулящей увеличение мощности и живучести растений. Потомки с сильно выраженным гетерозисом имели большие преимущества в естественном отборе - засухоустойчивость и иммунитет к различным болезням, совмещая эти ценные биологические свойства с высоким качеством семян. Главное же - первое поколение гибридов давало 20-30 процентов дополнительного урожая.

В Советском Союзе гетерозисом кукурузы стали заниматься в 1930 году на Синельниковской станции Украинского НИИ зернового хозяйства (Днепропетровская область), где начинал свои опыты по гибридизации В. В. Таланов. Эстафету Таланова подхватил Б. П. Соколов. Определив основные принципы подбора родителей и получив в результате более чем 230 комбинаций, ученый отобрал лучшие пары для основных кукурузосеющих районов страны. Уже спустя два года был передан в государственное сортоиспытание первый в СССР гибрид, полученный в результате скрещивания двух сортов кукурузы - Днепропетровской (Броунконти) и Грушевской. Новинку по-праву назвали Первенцем. В 1939 году он был районирован на Днепропетровщине, а к 1950 году выращивался на площади более 280 тысяч гектаров. Практическое использование гетерозиса явилось новым этапом в селекции кукурузы.

Гибридизация как важный прием повышения продуктивности растений расширяется из года в год, стимулируя теоретические исследования. Наука, как отмечал Д. И. Менделеев, начинается там, где умеют считать и сравнивать. Чтобы привести в действие всю "гибридную силу", ученые пытаются выявить тончайшие различия между гибридами и исходными формами. Высшие функции науки - разведывательная и "буровая". Начато изучение гетерозиса на молекулярном уровне - исследователи проникают вглубь ферментов и белковых молекул.

Все это - лишь один из путей выявления скрытых сил растения. Давно известен и иной, пожалуй, более эффективный способ. Даже при явных преимуществах гетерозиса межсортовые гибриды кукурузы (как, впрочем, и сорго) все-таки не получили достаточно широкого распространения из-за своей неоднородности. Прибавка урожайности от них нередко не превышает 10-15 процентов.

Уже сказано, что при выборе родительских форм для получения гетерозисных гибридов оценивается их комбинационная способность. Но при этом не сделана оговорка: первоначально селекция в этом направлении сводилась к отбору генотипов, полученных в результате принудительного самоопыления. Впервые в мире это проделал Г. Шелл в 1904 году для получения так называемых самоопыленных чистых линий. Здесь использовалась обратная гетерозису инбредная депрессия.

Инбридингом, или инцухтом, называют принудительное самоопыление растений. У самоопыляющихся растений - пшеницы, ячменя, гороха, фасоли, перца, цитрусовых и хлопчатника это нормальное явление. А вот на кукурузу самооплодотворение оказывает часто вредное влияние - снижается интенсивность роста, продуктивность, возникают различные аномалии и уродства. Но в то же время замечено, что в замкнутых горных долинах и на небольших островах естественная изоляция мелких групп растений способствует появлению редких форм, таких, как скороспелая кукуруза, выявленная в Западном Китае. Эти факты и навели на мысль, что родительские черты, которые подавляются в первом потомстве, могут проявляться позже, во "внуках" и "правнуках". Следовательно, и такие мутации в генах могут служить ценным исходным материалом для селекционеров. Так, тетрагибриды куку-рузы, продукт скрещивания четырех инбредных линий, дают повышение урожая по сравнению с обычными сортами на 30-60 процентов.

В СССР работы по селекции кукурузы с использованием самоопыленных линий были начаты в 1924-1925 годах на Екатеринославской сельскохозяйственной станции. В 1930 году появилось первое печатное сообщение о результатах эксперимента: автор публикации Б. П. Соколов известил о создании самоопыленных линий, исходным материалом для которых послужили сорта Днепропетровская, Грушевская, Стерлинг и Айвори-Кинг. О новом методе было доложено 5 января того же года на I Всеукраинском съезде селекционеров и генетиков в Одессе.

Первыми отечественными простыми и межлинейными гибридами, переданными в государственное сортоиспытание Днепропетровской госселекстанцией в 1933-1939 годах, были Днепровский 1, Прогресс и Степняк. Несколько лет они были лучшими по урожайности на многих южных сортоучастках, превосходя наиболее продуктивные сорта и межсортовые гибриды. Осенью 1935 года на опытной станции ВИР вблизи Армавира В. Е. Козубенко создал двойной межлинейный гибрид Кубанский 135, занявший вскоре на Кубани десятки тысяч гектаров. Лучшие межлинейные двойные и сортолинейные гибриды выгодно отличались своей продуктивностью и другими хозяйственно ценными свойствами от обычных сортов-популяций. По урожайности многие из них впоследствии превзошли распространенные сорта на 20-30 процентов.

В 1939 году распоряжением народного комиссариата земледелия Союза ССР было положено начало плановой работе по размножению и внедрению гибридов в колхозно-совхозное производство. Так началась "эпоха гибридизации" - создания и внедрения межсортовых, сортоли- нейных и межлинейных гибридов. Переход на посев гибридными семенами обещал огромные выгоды, повышая коэффициент размножения: I центнер калиброванных семян с высокой всхожестью мог обеспечить засев 5 гектаров. С каждого гектара участков гибридизации можно было собрать до 20 центнеров семян и засеять ими на следующий год 100 гектаров.

Дальнейшее исследование затормозила война. Селекционно-семеноводческая работа Украинского НИИ зернового хозяйства, например, в годы эвакуации велась в сокращенном размере на Камышинской госселекстанции. Позже сказались субъективные факторы: метод инбридинга был объявлен "порождением формально генетической науки", и с 1948 года работы с межлинейными гибридами были исключены из тематических планов научно- исследовательских учреждений.

Положение было исправлено после принятия 1 марта 1956 года постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах перехода колхозов и совхозов на посев кукурузы гибридными семенами". (Кстати, первым на Украине такой подход осуществил колхоз имени Чкалова Новомосковского района Днепропетровской области). В апреле 1956 года вышел первый номер научно-производственного журнала "Кукуруза". Накануне его выхода в Днепропетровске, а в 1957 году - в Одессе состоялись Всесоюзные совещания по производству гибридных семян кукурузы. Вопросы увеличения этого производства, активизации и координации научно-исследовательских работ стали предметом обсуждения на специальном совещании рабочей группы Постоянной комиссии по экономической и научно-технической взаимопомощи социалистических стран в области сельского хозяйства, проходившей в феврале 1957 года в Бухаресте. В работу по селекции кукурузы в нашей стране включились свыше 50 научных учреждений, в том числе: ВНИИ кукурузы и его сеть, Всесоюзный селекционно-генетический институт, Украинский НИИ растениеводства, селекции и генетики им. В. Я. Юрьева, Украинский НИИ земледелия, Черновицкая, Закарпатская и Донецкая селекционно-опытные станции, Краснодарский НИИ сельского хозяйства, Кубанская опытная станция ВИР, Кишиневский сельскохозяйственный институт, Молдавский НИИ агротехники, селекции и семеноводства.

Создано огромное семейство советских гибридов. В зависимости от родительских форм, взятых для скрещивания, различают несколько типов. Так, к межсортовым, получаемым от скрещивания двух сортов (например, кремнистой и зубовидной кукурузы), относились Первенец и Буковинский 1 (Воронежская 76 X Зубовидная 3135). В настоящее время среди районированных гибридов представителей этого типа нет.

Сортолинейные гибриды являются продуктом скрещивания сорта (в качестве материнской формы) и самоопыленной линии (отцовская форма). К ним относятся Буковинский ЗТВ (Глория Янецкого X линия ВИР 44), Днепровский 247МВ (Шиндельмайзер X Искра). На Украине, помимо них, широко распространены Буковинский 11Т, Днепровский 320МВ. Всего в республике районировано 8 названий.

От скрещивания двух самоопыленных линий происходят простые межлинейные гибриды, такие, как районированные на Украине Пионер 3978, Геркулес B. Л., Докучаевский 4MB, Кубанский 275МВ.

Двойные межлинейные гибриды создаются в два этапа скрещиванием двух простых гибридов. В республике районированы Краснодарский 440МВ, Днепровский 505МВ - всего до десяти названий.

От скрещивания простого гибрида с самоопыленной линией получают тройные гибриды. На Украине они представлены высокопродуктивным среднеранним Коллективным 210АТВ, Юбилейным 60МВ, Днепровским 460МВ и еще примерно десятью названиями.

Особый тип составляют сложные гибридные популяции, или синтетические сорта, которые выводят с помощью межлинейных скрещиваний. Например, Одесский 80МВ и ВГИ 9МВ - это пяти-шестилинейные синтетики, а Надднепровская 50 получена из 13 самоопыленных линий. Подобные популяции или сорта возделываются на небольших площадях.

Итак, гетерозис и инбридинг - основные методы, благодаря которым современные селекционеры, отбирая лучшие растения, соединяют высокую продуктивность с живучестью. Но существует еще метод, где используются мутации.

Термином "мутация" Г. де Фриз назвал явление внезапного и резкого наследственного изменения какого-либо признака или свойства организма. Отсюда произошло и слово "мутант", означающее организм, обладающий мутацией. Встречая столь странные особи в природе, ученые объясняли их возникновение по-разному. Возможно, спонтанные мутации - следствие старения организма, резких изменений естественного фона ионизирующих излучений - космических лучей, солнечной радиации, гамма-излучений Земли или появления особо сильных реагентов в почве, наконец, проделки вирусов. Теперь, когда ясно, что без мутаций отбор бессилен и что процессом возникновения наследственных изменений можно управлять с помощью так называемых индуцированных мутаций, догадки, кажется, подтверждаются.

Сегодня в арсенал искусственных мутагенов (факторов, вызывающих мутации) входят как физические, так и химические. В первую группу входят различные виды ионизирующих излучений: электромагнитные (рентгеновские, космические и гамма-лучи) и корпускулярные (альфа- и бета-частицы, позитроны, электроны, протоны, нейтроны). К физическим средствам относятся и ультрафиолетовые лучи. Используются также процессы центрифугирования и тепловой обработки. Например, повышение температуры на каждые 10 градусов может увеличить частоту мутаций в 3-5 раз.

Химические мутагены представлены четырьмя группами. Наиболее сильными из них являются алкилирующие соединения. Другую группу составляют вещества с химической структурой, близкой к азотистым основаниям нуклеиновых кислот. (Так, чужеродная нуклеиновая кислота, особенно ДНК, может вызвать генные перестройки). Третья группа - акридиновые красители. Четвертая, особая, вобрала в себя перекиси, формальдегиды, азотистую кислоту и гидроксилалин.

Метод направленного мутагенеза, позволяющий значительно ускорить селекцию растений, применяется в Институте молекулярной биологии и генетики Академии наук УССР при конструировании заданных сортов злаков. Воздействуя на семена радиацией или химическими веществами, киевские ученые изменяют генетические начала клеток и прививают растению желаемые признаки. Лучшие из созданных таким методом гибридов вдвое, а то и больше, превосходят по урожаю зерна старые сорта.

Еще один ключ к кладовым кукурузного растения подобрал выдающийся советский генетик Алексей Борисович Иорданский, доказавший, что каждый самоопыляющийся злак имеет свой, присущий только ему хромосомный набор. Есть он и у кукурузы. И ученый уже собирался заняться расшифровкой генетического вида этого злака, с тем, чтобы, разгадав шифр, вплотную приступить к конструированию желанных форм, с заданными свойствами. К решению этой проблемы он планировал приступить совместно с исследователями из ВНИИ кукурузы. К сожалению, внезапная смерть помешала ему осуществить свой замысел. Но будем надеяться, что дело, которому посвятил свою жизнь этот подвижник науки, не умрет. И последователи А. Б. Иорданского понесут дальше его эстафету и порадуют нас новыми могучими гибридами и сортами сельскохозяйственных культур, в том числе и кукурузы.