С помощью какого метода исследуют влияние условий выращивания культурных растений на их урожайность

Обновлено: 05.07.2024

Оценить 1513 0

Период охоты и собирательства у первобытного человека продолжался несколько миллионов лет, однако первые очаги земледелия и скотоводства возникли лишь около 10 тыс. лет назад. Благодаря этому к 6-му тысячелетию в Южной, Западной и Центральной Азии, в Средиземноморье и Центральной Америке появились первые государства с высокоразвитой культурой, наукой и искусством.

Самыми ранними системами земледелия были залежная и подсечно-огневая. При залежной системе человек получал несколько урожаев, а затем, когда земля истощалась, оставлял её без обработки на несколько лет для самовосстановления. При подсечно-огневой системе земледелия вырубались, выжигались и выкорчевывались леса и на их месте возделывались пашни.

Уничтожение больших лесных массивов и обработка почвы приводили к водной и ветровой эрозии, изменению гидрорежима рек, что в свою очередь вызвало катастрофические наводнения, пылевые и черные бури и в конце концов привело к опустыниванию многих территорий.

Выращивая культурные растения в течение многих тысяч лет, человек воздействовал на внешний вид растений, их урожайность, видовое многообразие. Все современные культурные растения имеют диких предков (древние формы). Многие дикие формы не дошли до наших дней, но некоторые из них сохранились. Так, предком современной капусты является древняя форма дикой капусты, которая росла по берегам Средиземного моря более 10 тыс. лет назад.

В результате окультуривания растений, миграции народов, торговли между странами изменились не только сами растения, но и ареал их распространения. Великий русский ученый Николай Иванович Вавилов в первой половине 20 века путём длительной и кропотливой работы установил центры происхождения и многообразия культурных растений.

Южноазиатский тропический центр, включающий тропическую Индию, Индокитай, Южный Китай, острова Юго-Восточной Азии, исключительно богат культурными растениями (около 1/3 известных видов культурных растений). Это родина риса, сахарного тростника, огурца, баклажанов, цитрусовых, шелковицы, манго, банана, черного перца.

Восточноазиатский центр включает Центральный и Восточный Китай, Японию, о. Тайвань, Корею. Это родина чая, сои, нескольких видов проса, овса, гречихи, множества плодовых (например, персики) и овощных культур (около 20 % мирового многообразия)

Юго-западноазиатский центр включает Малую Азию, Среднюю Азию, Иран, Афганистан, Северо-Западную Индию. Это родина нескольких форм пшеницы, ржи, гороха, чечевицы, льна, конопли, дыни, винограда, яблони, груши, абрикоса, сливы, миндаля, граната, лука, чеснока, моркови, репы, свеклы (14% мировой культурной флоры)

Средиземноморский центр включает страны, расположенные по берегам Средиземного моря. Этот центр, где располагались величайшие древние цивилизации, дал около 11 % видов культурных растений. В их числе маслины, многие кормовые растения (клевер, чечевица), овощные (капуста, укроп, петрушка), сахарная свёкла, лавр, малина.

Абиссинский центр – небольшой район африканского материка со своеобразной флорой, включающей культурные растения. Это очень древний очаг самобытной земледельческой культуры, родина зернового сорго, твёрдой пшеницы, ржи, ячменя, хлопчатника, кофе, одного вида бананов.

Центральноамериканский центр включает Южную Мексику. Это родина кукурузы, хлопчатника, какао, ряда тыквенных, фасоли, перца, табака (около 90 видов культурных растений).

Андийский (Южноамериканский) центр включает часть районов Андийского горного хребта вдоль западного побережья Южной Америки. Это родина многих клубненосных растений, в том числе картофеля, некоторых лекарственных растений (кокаиновый куст, хинное дерево и др.)

Н.И.Вавилов не только установил центры происхождения и многообразия культурных растений, но и стал основоположником научной селекции. Но ещё до появления научной селекции человек научился выводить новые сорта растений и породы животных. Окультуривая растения и выращивая их многие годы, земледельцы выбирали наиболее интересные и полезные для человека формы. В результате такого многолетнего отбора к моменту появления научной селекции растениеводами-практиками было уже создано большое количество сортов растений. Сорт – группа растений внутри вида (популяция), искусственно созданная человеком, характеризующаяся общими признаками и определенной продуктивностью. Под продуктивностью следует понимать урожайность, количество крахмала в семенах и клубнях, количество масла в семенах, устойчивость к болезням и вредителям и т.п.

В современном понимании селекция – это наука, занимающаяся получением новых сортов растений и пород животных, а также повышением производительности сельскохозяйственного производства за счёт улучшения уже существующих сортов и пород.

В публикации приведено научное обоснование биологической коррекции продуктивности сельскохозяйственных культур. Продукционным процессом растений, можно управлять с помощью нескольких видов коррекции: физической, химической и биологической

Растениеводство — основа хозяйственной деятельности человека. Половина проблем цивилизации, так или иначе, связана с функциональными возможностями этой сферы деятельности. Увеличение продуктивности сельскохозяйственных культур и их защита от болезней и вредителей являются центральными вопросами современной агробиологии.

Каждый знает, как тяжел крестьянский труд. Самое большое счастье земледельца — это богатый и отменный по качеству урожай. Сколько надо вложить сил и умения, чтобы не только вырастить и собрать урожай, но и сохранить его.

Продукционный процесс растений зависит не только от климатических факторов и запасов элементов минерального питания растений в почве, но также и от физиологических особенностей конкретной сельскохозяйственной культуры. Одним из направлений в области регуляции урожайности и скорости развития растений является выяснение точек приложения отдельных факторов, ограничивающих продукционный процесс. При этом воздействие на продукционный процесс должно быть множественным — по возможности направленным на максимальное количество лимитирующих факторов. Чем полнее создаётся комплекс необходимых растениям условий, тем выше будет урожай. Продуктивность сельскохозяйственных культур — результат их существования в конкретных почвенно-климатических условиях.

Продукционным процессом культурных растений, можно управлять с помощью нескольких видов коррекции (рис. 1): физической, химической и биологической.

Под физической коррекцией понимается система агротехнических, агромелиоративных и гидромелиоративных мероприятий, направленных на создание и поддержание благоприятного для культурных растений водного, теплового и воздушного режимов, а также биологической активности почв. Этот вид коррекции был одним из первых приёмов повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Она появилась тогда, когда человек разумный палкой-копалкой взрыхлил почву вокруг полюбившегося ему растения. Но прогресс не стоит на месте: на смену палки-копалки пришла соха, соху сменил плуг, потом появился плоскорез и т. д. Интенсивная механическая обработка земель приводит к почворазрушающим процессам, поэтому в настоящее время общей тенденцией земледелия является минимизация физического воздействия на почву. Для выращивания зерновых пропагандируются: стрип-тилл — узкополосная вспашка с образованием гребня (две третьих поля остаются нетронутыми), мини-тилл — минимальная обработка почв, предусматривающая замену вспашки плугом с отвалом пласта рыхлением (чизелеванием) или дискованием с созданием мульчирующего слоя, и ноу-тилл — бесплужная (одна неглубокая обработка почвы рыхлением на небольшую глубину) или, как ещё называют, нулевая технология со стерневым посевом. Для остальных культур пока ещё применяются традиционные системы земледелия. До сих пор остаются актуальными приёмы изменения минералогического и гранулометрического составов почв — пескование тяжёлых и глинование лёгких почв. Конечно же, почвы, характеризующиеся агрономически ценной структурой — наиболее благоприятны для роста и развития растений.

Исходя из изложенного выше, физическая коррекция является первой важной составляющей регулирования продукционного процесса растений.

Химическая коррекция — система мероприятий, направленная на регулирование продуктивности сельскохозяйственных растений посредством химизации — восполнения запасов элементов минерального питания растений и азота в почве, некорневых подкормок макро- и микроэлементами, регулирования кислотного и солевого режима почв, а также с помощью применения химических средств защиты растений (рис. 1). В связи с этим, основное усилие земледельцев направлено на создание в почве необходимого количества и пропорциональности фосфора, калия и азота (производственного потенциала), что достигается внесением в почву тех или иных удобрений, чаще всего минеральных. Регулируя поступление минеральных веществ в растения, также следует помнить, что недостаток одного из биофильных элементов может привести к накоплению в почве другого, что, конечно же, затруднит коррекцию основных элементов питания в почве. Количество соединений биофильных элементов, потребляемых растениями, определяется взаимодействием между скоростью потребления/выделения корнями растений этих веществ, подвижностью последних в почве, а также скоростью преобразования доступных форм питательных веществ, необходимых растениям, в недоступные и наоборот.

Исторически химическая коррекция была вторым эволюционным шагом растениеводства. Вначале использовалась древесная зола (например, при подсечно-огневом земледелии), затем — навоз сельскохозяйственных животных и, наконец, минеральные удобрения. В 21-ом веке для рационального использования минеральных удобрений используется точное, или прецизионное земледелие. Этот подход с помощью современной электронной техники позволяет дозированно вносить в почву минеральные удобрения в зависимости от содержания NPK в том или ином агрохимическом контуре.

Одним из эффективных подходов управления продукционным процессом и защиты растений является биологическая коррекция (рис. 1), которая за счёт совокупности методов направленного воздействия на биологию растений позволяет не только дополнительно повысить урожайность культурных растений с улучшением качества получаемой продукции, но увеличить сохранность выращенного урожая.

Биологическая коррекция — это третий эволюционный шаг растениеводства, развивающий адаптивное земледелие. Можно сказать, что методы биологической коррекции не новы. Их применяли давно. Особенно если вспомнить выращивание ананасов в Санкт-Петербурге в 19-ом веке — при печном отоплении и свечном освещении, но при использовании хорошо гумифицированного материала — садовой земли. Да, зачастую, новое — это хорошо забытое старое. Так зачем же забывать то, что весьма полезно для практиков? Современная теория биологической коррекции опирается на известный опыт, но базируется на достижениях современной науки.

Так, методология биологической коррекции опирается на следующие три ключевых положения:

1) зелёные сосудистые растения способны поглощать и усваивать органические соединения;

2) в зелёных сосудистых растениях одним из путей, обеспечивающих транспорт веществ, является единая система протопластов растительных клеток, объединённых в одно целое многочисленными специальными каналами (плазмодесмами), что позволяет растениям поглощать питательные вещества не только с помощью корней, но и листьями;

3) продукционный процесс растений в значительной степени определяется скоростью передвижения питательных веществ из корня в листья, и из листьев в корень.

Суть этого подхода — восполнение недостающих звеньев системы почва-растение, воспроизводство которых осуществляется вне этой системы посредством искусственной их интенсификации. При этом обязательно должны учитываться физиологические особенности растений. Биологическая коррекция роста и развития растений опирается на научные достижения современных биотехнологий, таких как: производство микробиологических препаратов, физиологически активных веществ, биологических средств защиты растений и т. д. В основе таких биотехнологий лежит принцип биологического соответствия.

Регулирование процессов метаболизма растений осуществляется с помощью использования биологических препаратов и комплексных органо-минеральных питательных смесей. Питательные смеси лучше всего приготавливать на основе растворов гуминовых веществ (ГВ). Характерная особенность питательных органо-минеральных смесей состоит в том, что извлечённые ГВ должны быть безбаластными (то есть без липидов) и не содержать углекислых солей натрия и калия. Помимо этого, в растворы необходимо добавлять инициальное количество основных элементов минерального питания растений (NPK) и полный комплекс микроэлементов, которые должны находиться в определённой пропорции и в стабильном растворённом состоянии.

Питательные органо-минеральные смеси хорошо сочетаются с биологическими инсектицидами и сами обладают выраженными фунгистатическими свойствами (то есть угнетающими рост и развитие патогенных грибов). Эти растворы предназначены для некорневых обработок сельскохозяйственных культур.

Анализ научной литературы и собственные экспериментальные данные свидетельствуют, что некорневая обработка органо-минеральными смесями приводит:

2) к увеличению проницаемости клеточных мембран — вследствие непосредственного воздействия ГВ,

3) к вызову (индукции) экспрессии генов, приводящей к увеличению защитных свойств растений и оптимизации биосинтеза,

4) к энергетическому обогащению — в результате использования некоторых компонентов ГВ в качестве структурных фрагментов биологических макромолекул,

5) к оптимизации дыхания и фотосинтеза — по причине ускорения циркуляции питательных веществ, а также использования некоторых компонентов ГВ в качестве структурных фрагментов биологических макромолекул;

6) к оптимизации соотношения органических и минеральных анионов в растениях и, как следствие, к снижению нитратов в продукции растениеводства;

7) к оптимизации биосинтеза и, как следствие, к увеличению в продукции белков, сахаров, жиров и витаминов;

9) к возрастанию устойчивости к болезням и неблагоприятным условиям — за счёт вызова экспрессии генов и биосинтеза фитонцидов;

10) к повышению коэффициента использования минеральных удобрений сельскохозяйственными культурами — посредством ускорения циркуляции питательных веществ в растениях, а также увеличения проницаемости клеточных мембран,

11) к снятию стресса после применения пестицидов — в результате детоксикации ксенобиотических веществ.

Биологическая коррекция предусматривает также использование биологических средств защиты растений и инфицирование последних полезными для сельскохозяйственных культур микроорганизмами и грибами.

Сомневаться в чрезвычайно положительном влиянии питательных органо-минеральных смесей на рост и развитие культурных растений, на объем и качество их урожая, у нас нет ни малейших причин. Это подтверждено многочисленными научно-исследовательскими экспериментами и результатами производственных опытов (рис. 2).

Накопленный производственный опыт позволяет утверждать следующее:

1) отрицательных последствий при обработке сельскохозяйственных растений питательными органо-минеральными смесями нет;

2) увеличение урожайности сельскохозяйственных культур с различными физиологическими особенностями имело место во всех случаях производственных испытаний в разных климатических зонах и при отличающихся погодных условиях.

3) обработка культурных растений питательными органо-минеральными смесями повышала пищевую или кормовую ценность продукции растениеводства;

Рисунок 2. – Результаты влияния биологической коррекции на прибавку урожайности сельскохозяйственных культур разных семейств, выращенных в производственных условиях.

4) у обработанных растений плоды были вкусными и ароматными;

5) у декоративных растений венчик цветов, как правило, был ярче, а запах сильнее;

6) в ряде случаев наблюдалось сокращение вегетационного периода развития растений;

7) обработка рассады приводила к увеличению её приживаемости;

8) у черенков, выращиваемых в питательной смеси, корнеобразование происходило более интенсивно;

9) совместное применение органо-минеральных питательных растворов с биологическими инсектицидами (например, битоксибациллином, лепидоцидом) позволяет успешно бороться даже с минирующими насекомыми (при этом биологические инсектициды под защитой специального нетоксичного и не вызывающего побочных действий у живых организмов комплексона вводятся в питательный раствор).

Была выявлена следующая закономерность при применении некорневых обработок органо-минеральными смесями:

- при высоком производственном потенциале почв и благоприятных агрометеорологических условиях наблюдалось относительно невысокое увеличение урожайности сельскохозяйственных культур (в среднем на 15–25 %);

- при экстремальных агрометеорологических обстоятельствах, но при хорошей обеспеченности почвы основными элементами минерального питания растений (NPK), эффект был максимальным и зачастую достигал двукратного превышения урожайности по отношению к контролю.

Таким образом, путь биологической коррекции позволяет уберечь урожай от вредителей, воспрепятствовать развитию инфекционных болезней и дополнительно повысить как сам урожай сельскохозяйственных культур, так и его качество. Этот путь позволяет реализовать резервные функции растений, а также увеличить устойчивости посевов к неблагоприятным погодным условиям. Биологическая коррекция — один из важных приёмов биологического земледелия.

Селекция в буквальном смысле этого слова означает отбор. Но в современном понимании селекция — это широкая комплексная наука, направленная в основном на повышение производительности сельскохозяйственного производства и базирующаяся не только на учении об отборе, но и на ряде других закономерностей биологии.

Выдающийся советский генетик и селекционер акад. Н.И. Вавилов, определяя содержание и задачи современной селекции, указывал, что для успешной работы по созданию сортов и пород следует изучать и учитывать: 1) исходное сортовое и видовое разнообразие растений и животных, являющихся объектом селекционной работы; 2) наследственную изменчивость (мутации); 3) роль среды в развитии и проявлении изучаемых признаков; 4) закономерности наследования при гибридизации; 5) формы искусственного отбора, ведущие к закреплению желательных признаков.

Что такое сорт или порода? Мы часто пользуемся этими понятиями, но не всегда ясно представляем себе их точный смысл и содержание.

Породой животных или сортом растений называют такую совокупность особей (популяцию), искусственно созданную человеком, которая характеризуется определенными наследственными особенностями, наследственно закрепленной продуктивностью, структурными (морфологическими) признаками.

Для каждой породы или сорта характерна определенная реакция на окружающую среду. Фенотип данной породы или сорта наиболее полно проявляется лишь при известных условиях содержания, кормления, агротехники. Для каждого сорта и породы необходим известный комплекс климатических условий, при которых выявляются их положительные качества. Поэтому породы и сорта, выведенные в одной стране, далеко не всегда пригодны для другой страны.

Из сказанного ясно, что не всякую возникшую в результате мутации при гибридизации полезную форму можно назвать сортом или породой. Для этого она должна обладать перечисленными выше свойствами. Выведение новых сортов и пород — важное государственное дело.

Во всех странах, в том числе и в Советском Союзе, существует обширная система научных и научно-практических учреждений: институтов, селекционных станций, племенных хозяйств, которые планомерно занимаются в общегосударственном масштабе этой сложной работой. Для проверки вновь создаваемых сортов культурных растений существует большая сеть сортоиспытательных участков (Госсортосеть), на которых всесторонне изучаются свойства вновь создаваемых сортов. В животноводстве аналогичную работу проводят специальные племенные хозяйства.

За годы существования Советской власти выведены сотни сортов хлебных злаков, бобовых, масличных, прядильных, овощных и других культурных растений. Только по одной пшенице Государственной комиссией по сортоиспытанию апробировано и районировано (указаны районы культивирования) свыше 300 сортов. Среди них можно указать, например, на замечательный сорт Безостая-1, выведенный акад. П.П. Лукьяненко.

Больших успехов достигли советские ученые в селекции подсолнечника — ценной пищевой культуры, снабжающей страну растительным маслом. Лучшие сорта подсолнечника лет 15— 20 назад по масличности не превышали 32—33%. В настоящее время благодаря работам акад. В.С. Пустовойта и возглавляемого им коллектива средняя масличность семян повышена до 49—50%. В масштабах Советского Союза это дает тысячи тонн рафинированного масла.

Многочисленные примеры повышения хозяйственной продуктивности можно привести из области животноводства. В СССР имеется ряд высокопродуктивных пород рогатого скота: холмогорская, ярославская, серая украинская и др. В советское время трудами акад. М. Ф. Иванова создана высокопродуктивная порода украинских белых свиней, порода тонкорунных овец и многие другие.

Центры многообразия и происхождения культурных растений

Чем разнообразнее исходный материал, используемый для селекции, тем большие возможности дает он для отбора и гибридизации. Н.И. Вавилов указывал, что одним из условий, способствующих созданию нового сорта, служит исходное сортовое и видовое разнообразие. Чем больше это разнообразие, тем эффективнее будут результаты селекции. Но где -в природе искать это многообразие? Н.И. Вавилов с большим коллективом сотрудников в результате многочисленных экспедиций, протекавших на территории почти всего земного шара, изучил многообразие и географическое распространение культурных растений. Исследования были предприняты в 20-х и 30-х годах этого столетия Всесоюзным институтом растениеводства (ВИР), директором которого многие годы был Н. И. Вавилов. В этой огромного масштаба поисковой работе участвовали и некоторые другие крупные научные коллективы. Экспедициями были охвачены вся огромная территория Советского Союза и много зарубежных стран: Иран, Афганистан, страны Средиземноморья, Абиссиния, Центральная Азия, Япония, Северная, Центральная и Южная Америка и некоторые другие. Во время этих экспедиций было изучено около 1600 видов культурных растений. Экспедиции везли в Советский Союз тысячи образцов семян культурных растений. Они высевались в питомниках ВИРа, расположенных в разных географических зонах Советского Союза. Эти ценнейшие и уникальные коллекции служат материалом для селекционной работы.

В результате изучения всего этого колоссального материала Н. И. Вавилов установил ряд важных закономерностей, показав, что не во всех географических зонах культурные растения обладают одинаковым разнообразием. Для разных культур существуют свои центры многообразия, где сосредоточено наибольшее число сортов, разновидностей, разнообразных наследственных уклонений. Эти центры многообразия являются вместе с тем районами происхождения сортов данной культуры. Большинство центров совпадает с древними очагами земледелия. Это в основном не равнинные, а горные районы.

Таких центров многообразия Н.И. Вавилов насчитывал сначала 8. В более поздних работах он различает 7 основных центров. Они изображены на прилагаемой карте.

Перечислим эти центры и основные, происходящие из них культуры:

Южноазиатский тропический центр. Тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай, острова Юго-Восточной Азии. Исключительно богат культурными растениями (около 1 /₃ известных видов культурных растений). Родина риса, сахарного тростника, множества плодовых и овощных культур.
Восточноазиатский центр. Центральный и Восточный Китай, Япония, остров Тайвань, Корея. Родина сои, нескольких видов проса, множества плодовых и овощных культур. Этот центр тоже богат видами культурных растений — около 20% мирового многообразия.
Юго-западноазиатский центр. Малая Азия, Средняя Азия, Иран, Афганистан, Северо-Западная Индия. Родина нескольких форм пшеницы, ржи, многих зерновых, бобовых, винограда, плодовых. В нем возникло 14% мировой культурной флоры.
Средиземноморский центр. Страны, расположенные по берегам Средиземного моря. Этот центр, где располагались величайшие древние цивилизации, дал около 11% видов культурных растений. В их числе маслины, многие кормовые растения (клевер, одноцветковая чечевица), многие овощные (капуста) и, кормовые культуры.
Абиссинский центр. Небольшой район Африканского материка с очень своеобразной флорой культурных растений. Очевидно, очень древний очаг самобытной земледельческой культуры. Родина зернового сорго, одного вида бананов, масличного растения нута, ряда особых форм пшеницы и ячменя.
Центральноамериканский центр. Южная Мексика. Родина кукурузы, длинноволокнистого хлопчатника, какао, ряда тыквенных, фасоли — всего около 90 видов культурных растений.
Андийский (Южноамериканский) центр. Включает часть районов Андийского горного хребта вдоль западного побережья Южной Америки. Родина многих клубненосных растений, и в том числе картофеля, некоторых лекарственных растений (кокаиновый куст, хинное дерево и др.).

Подавляющее большинство культурных растений связано с одним или несколькими из перечисленных выше географических центров. Но существуют немногие виды, имеющие иное, независимое от этих центров происхождение. Так, например, финиковая пальма была введена в культуру в оазисах Аравии и, может быть, Сахары.

Основными методами селекции растений служат гибридизация и отбор. Обычно эти методы сочетаются.

Методы отбора могут быть различными, что в значительной мере зависит от формы размножения данного вида растений. Различают две основные формы отбора: массовый и индивидуальный.

Первый из них сводится к отбору из исходного материала целой группы особей, обладающей желательными для селекционера признаками. Этот метод отбора может быть однократным или повторным (повторяющимся в целом ряде последующих поколений).

Массовый отбор наиболее часто осуществляется в отношении перекрестноопыляющихся растений, к которым относится рожь. Многие распространенные сорта ржи (например, сорт Вятка) выведены этим методом. Массовый отбор не может привести к выделению генотипически однородного материала. Полученные этим путем сорта обычно требуют повторного применения отбора для поддержания своих свойств. Эта работа осуществляется в семеноводческих хозяйствах.

Индивидуальный отбор, который тоже может быть однократным или повторным, сводится к выделению отдельных особей и получению от них потомства. Этот метод наиболее применим к самоопыляющимся растениям (пшеница, ячмень, овес). Потомство одной самоопыляющейся особи называется чистой линией. Таким образом, индивидуальный отбор приводит к выделению отдельных чистых линий. Самоопыление ведет к появлению гомозиготных форм (вспомните моногибридное скрещивание, в результате которого все время уменьшается число гетерозигот и возрастает число гомозигот). Таким образом, индивидуальный отбор обычно приводит к получению сорта! представляющего собой одну или несколько чистых линий, которые, будучи гомозиготными, сохраняют постоянство генотипа. Разумеется, и в пределах чистых линий происходят мутации, так что это постоянство не является абсолютным.

У растений, размножающихся вегетативным путем (картофель, многие плодовые деревья, разводимые отводками), можно в качестве сорта сохранить и размножить любую гетерозиготную комбинацию, обладающую хозяйственно полезными признаками. Понятно, что при половом размножении свойства таких гетерозиготных сортов не сохранятся и произойдет их сложное расщепление.

4. Самоопыление перекрестноопылителей (инбридинг). Явления гетерозиса

Самоопыление ведет к повышению гомозиготности, к закреплению этим путем наследственных свойств. Можно ли при селекции перекрестноопыляющихся растений прибегать к самоопылению для получения у них чистых линий? Близкородственное скрещивание (самоопыление у растений, скрещивание между родственными животными) называется инбридингом (или инцухтом). Еще Дарвину было хорошо известно, что инбридинг и у растений, и у животных приводит обычно к неблагоприятному результату: снижению жизнеспособности, уменьшению продуктивности, или, говоря в общей форме, к вырождению.

Чем объясняется неблагоприятное влияние инбридинга? Одной из основных причин служит переход большинства генов в гомозиготное состояние. У организмов непрерывно осуществляется мутационный процесс. Большинство мутаций рецессивны и в значительной своей части вызывают неблагоприятные наследственные изменения. У перекрестноопылителей эти рецессивные мутации фенотипичёски не проявляются, так как находятся в гетерозиготном состоянии. При инбридинге они переходят в гомозиготное состояние и оказывают свое действие на развивающийся организм. Иное дело у самоопыляющихся растений. У них не происходит накопления рецессивных неблагоприятных мутаций, так как по мере появления они становятся гомозиготными и отсеиваются естественным отбором.

Несмотря на неблагоприятное влияние самоопыления, у перекрестноопыляющихся растений оно часто и успешно применяется в селекции. Обычно сначала путем инбридинга выводят чистые линии, у которых закрепляются желательные признаки. Вместе с тем происходит резкое снижение урожайности. Затем проводят перекрестное опыление между разными линиями. Это сразу же снижает вредное влияние инбридинга и в ряде случаев ведет к созданию высокоурожайных растений. Этот прием получил название межлинейной гибридизации. Часто при этом проявляется эффект гетерозиса, или гибридной силы.

Сущность гетерозиса заключается в том, что первое гибридное поколение обладает повышенной урожайностью и жизнеспособностью не только по сравнению с инбредными линиями, но и по сравнению с теми родительскими формами, которые были использованы для создания инбредных линий. При дальнейшем размножении межлинейных гибридов, проявивших гетерозис, эффект его обычно несколько снижается. Генетические причины гетерозиса еще не окончательно выяснены, однако несомненно, что тут играет положительную роль высокая гетерозиготность гибридов, связанная с проявлением повышенной физиологической активности.

Практически поступают следующим образом. Сначала создают большое число инбредных линий, затем приступают к скрещиванию между ними. Выявляют опытным путем те комбинации, которые дают наибольший эффект гетерозиса. Далее сохраняют эти инбредные линии и для хозяйственного использования высевают гибридные семена, которые получаются в результате скрещивания линий (межлинейные гибриды). Хотя на первый взгляд этот путь кажется несколько сложным, тем не менее он дает огромный хозяйственный эффект.

Эффективность селекции. От каких факторов зависит эффективность отбора при селекционной работе? Вопрос этот имеет важное практическое значение. Отбор тем эффективнее, чем разнообразнее в наследственном отношении исходный материал. Для получения этого разнообразия пользуются разными путями. Одним из них служит разнообразный в отношении географического происхождения материал. Мы уже знаем, какое большое значение для селекции имеет коллекция культурных растений ВИРа, собранная в различных районах земного шара. Второй путь увеличения разнообразия материала для селекции представляет гибридизация. Скрещивание в сочетании с отбором — один из самых эффективных путей селекционной работы. Наконец, увеличение наследственной изменчивости может достигаться путем повышения мутационной изменчивости действием различных внешних факторов.

В тех случаях, когда наследственное разнообразие исходного материала невелико, отбор малоэффективен. Примером могут служить чистые линии самоопылителей. Отбор в чистых линиях, являющихся гомозиготными по большинству генов, практически не дает никакого результата. В чистых линиях источником наследственных изменений могут быть лишь мутации, но они происходят относительно редко.

У самоопылителей отбор обычно бывает эффективным лишь до тех пор, пока из исходной неоднородной по наследственному составу популяции не будут выделены чистые линии. В дальнейшем он перестает действовать. Для изменения свойств линии следует прибегнуть к гибридизации, которая приведет к неоднородности наследственного состава, за счет чего вновь может эффективно применяться отбор.

Искусственный и естественный отбор в селекции растений. Искусственный отбор на основе наследственной изменчивости служит основным средством изменения организмов. Однако не следует забывать, что искусственный отбор нельзя изолировать полностью от естественного отбора. Это особенно справедливо в отношении растений. При выращивании культурных растений на полях, в питомниках и т. п. они подвергаются воздействию всего комплекса внешних факторов: температуры, влажности, освещения и т. п. Это приводит к тому, что естественный отбор действует параллельно с искусственным и приводит к повышению приспособленности растений к конкретным условиям среды. Поэтому всякий вновь создаваемый сорт является всегда результатом двух одновременно действующих групп факторов: деятельности человека и естественного отбора.

Биология

Искусственный отбор культурных растений в биологии за 11 класс описывается как процесс формирования человеком новых видов, с целью улучшения их качественных характеристик. Происходит это путем выделения лучших представителей отдельных экземпляров растительного мира для дальнейшей их селекции. При этом неудачные варианты отбраковываются. В конечном счете формируется нужный вариант.

Учение Дарвина

Еще в древние времена люди имели понятие о селекции. Выражалось это в содержании животных, которые постепенно стали домашними в результате искусственного отбора. Культуры сельского хозяйства постоянно изменялись, что приводило к повышению их урожайности.

Заслуга Дарвина заключается в том, что он подвел научную основу под эту теорию. Чтобы понять суть происходящих явлений, ему пришлось провести анализ проводимых селекций растений на протяжении большого количества лет. Продолжая свои наблюдения, он пришел к выводу, что внутри культур происходят существенные изменения. При этом наблюдались следующие особенности:

Выведенные сорта оказались неоднородны. Находясь в одной группе, каждый из них имел свои характеристики.
Полученные культуры не только отличались между собой. Они не имели ничего общего со своими дикими предками.

Причины, которые привели к такому результату, заключались во влиянии внешней среды.

В первую очередь значение имела температура и влажность воздуха. Кроме того, важным фактором было скрещивание разных видов сортов между собой.

Основные принципы

Дарвин пришел к заключению, что искусственная эволюция растительного мира смогла возникнуть только под влиянием человека. При этом он выделил принципы искусственного отбора. Заключались они в следующем:

Выведение сортов в соответствии с потребностями человека. Полученные положительные качества нужны для общества, а не самого растения. В этом состоит отличие от естественного отбора, при котором культуры стремятся приобрести защитные свойства для своего выживания.
Накопление изменений в ряду поколений. За все процессы, происходящие внутри растения, отвечает природа. Однако человек занимается их изучением и все нужные изменения направляет в требуемое русло.
Изоляция полученного в результате искусственного отбора сорта. Выведенное качественное растение должно расти отдельно от остальных подобных ему культур.

Только соблюдая эти принципы, можно добиться нужного результата и оградить выведенный сорт от ненужных ему изменений.

Существующие формы

По сравнению с естественным отбором искусственные изменения происходят значительно быстрее. На эти процессы не требуются тысячелетия. Искусственный отбор характеризуется двумя формами. Кратко их определение выглядит следующим образом:

Бессознательный. Этим методом человечество пользуется с древних времен. Он не имеет под собой научной основы. Его цель заключается в сохранении культур нужного качества. Для этого среди выращенных экземпляров отбираются лучшие и на следующий год высеваются только они. Худшие варианты отбраковываются. Бессознательный метод не имеет перед собой целенаправленной задачи. Появление более качественных культур происходит стихийно. В задачу человека входит только выделить их и оставить семена на будущий посев.
Методический. Задачей этого метода является целенаправленное выведение новых сортов растений. При этом они должны обладать определенными параметрами. Например, ставится задача, чтобы выращенный сорт был морозоустойчивым, плодоносным или хорошо переносил засуху. Для этого среди выращенных вариантов отбираются лучшие, и работа ведется исключительно с ними. Им создаются хорошие условия, за ними поддерживается нужный уход.

Из двух вариантом методический способ является творческим.

Этим занимаются специально обученные люди, которые целенаправленно ведут свою работу.

Эффективность от отбора

Начавшееся с древних времен окультуривание растений дало масштабные результаты. В итоге селекционерами выведены основные сорта культурных растений. Они отличаются большим разнообразием:

Из небольшого количества дикорастущих роз выведены тысячи культурных видов.
Разработаны множество сортов пшеницы и кукурузы.
В Китае растет около 70 видов бамбука, который употребляется в пищу.
Существует огромное разнообразие видов помидоров, огурцов, яблок, груш и винограда.

В процессе выращивания культурных растений рядом с ними начинают появляться сорные травы. С течением времени у них формируются признаки основного растения, и они начинают сопутствовать выращиваемой культуре на любой территории.

Примером может служить сорняк галинсога, который постоянно присутствует в садах и огородах.

Искусственный отбор удобен для человечества, поскольку выведенные растения отвечают потребностям населения. Однако существовать они могут только при хорошем уходе, поскольку приспособительные функции ими уже утрачены.

Читайте также: