Особенности генетического разнообразия рапса

Рапс (Brassica napus L.) - масличная культура, которую люди на территории Европы и Азии выращивают уже не одну тысячу лет.  Родина рапса - Средиземноморский регион в соответствии с классификацией Н.И. Вавилова, вторым центром происхождения рапса считается Китай.  В селекции рапса, как и у других культур, различают несколько этапов. Первый - это одомашнивание, или доместикация. Это по сути период зарождения растениеводства как такового, когда люди перешли от сбора урожая диких растений в местах их естественного распространения к выращиванию возле своих домов. После одомашнивания происходила так называемая народная селекция, которая базировалась на эмпирическом подходе. Этот период в селекции был самым длительным и в основном направлен на повышение урожайности и качества продукции. Научно обоснованная селекция - завершающий этап становления селекции, продолжается и по сей день, хотя набор инструментов используемых значительно расширился.

Рапс относится к ботаническому семейству капустных культур, если проследить его путь от дикого растения до современности, то можно выделить несколько переломных моментов, которые каждый раз определяли будущее этой культуры на десятки или даже сотни лет вперёд. Во время периода доместикации из семейства капустных выделились различные группы видов растений в зависимости от направления их использования: листовые (салаты, капусты) корнеплодные (редьки, репы, турнепсы и т.п.) и масличные (рапс, горчица, рыжик и другие).

Каждое важное селекционное достижение вызывает существенное уменьшение генетического разнообразия. Чем важнее в хозяйственном плане достижения тем сильнее происходит сужение, образуются узкие места, так называемые «горлышки бутылки». Это происходит вследствие того, что критический признак начинают вводить во всё генетическое разнообразие культуры путём скрещивания различных сортов или линий с единственным известным донором признака, таким образом происходит сильное родство генетического материала, а это в свою очередь приводит к снижению вариабельности и гетерозиса. 60-е годы прошлого века, когда все сорта рапса перевели на двухнулевую основу, то есть с пониженным содержанием эруковой кислоты в масле и глюкозинолатов в шроте - первое «узкое место». Следующим стал перевод сортов на цитоплазматическую мужскую стерильность. Сейчас актуальным признаком для европейских фермеров является устойчивость к вирусу желтухи турнепса. За последние два года каждая крупная селекционная компания создала хотя бы один гибрид рапса, устойчивый к этому вирусу.

Вирус желтухи турнепса (Turnip yellows virus, TuYV) - один из самых вредоносных вирусов в посевах рапса. Главная опасность этого заболевания в том, что инфицирование растений происходит осенью, а первые симптомы заболевания проявляются весной, после возобновления вегетации. Так, диагностировать заболевание тоже не всегда удается, поскольку симптомы очень похожи на те, которые вызывает дефицит отдельных элементов питания. Таким образом весной имеем визуально здоровый посев рапса, возможно с некоторой нехваткой элементов минерального питания, а по факту весь посев уже поражен болезнью, которая может снизить урожайность на 30%, и даже больше.

Как распознать вирусное заболевание?

Как правило, края листьев на пораженных растениях приобретают красную или фиолетовую окраску, сама же листовая пластинка становится мозаичной, со светло-желтой пятнистостью и посветлением жилок. Сначала симптомы заметны только на нижних старых листьях, ближе к лету проявляются более четко, их видно и на молодых листьях. Инфицированные растения становятся низкорослыми, имеют более тонкие по сравнению со здоровыми растениями стебли, формируют меньшее количество соцветий, а в стручках завязывается меньше семян.

Главный переносчик вируса - тля, около 70% особей популяции являются переносчиками вируса. Распространению TuYV также способствует теплая мягкая зима - длительные периоды активности тлей и, соответственно, увеличение популяций этого вредителя. Весомое влияние на степень зараженности посевов рапса вызвал запрет на обработку семян неоникотиноидными инсектицидами.

Обработка семян инсектицидами класса неоникотиноидов дает возможность его производителям уменьшить популяцию тли на 85% и в период, когда культура находится в наиболее уязвимой стадии, значительно снизить распространение вируса. С 2013 года два основных неоникотиноида - клотианидин и имидаклоприд - запрещены в Евросоюзе для применения на открытом пространстве, поэтому используют только инсектициды контактного действия. Среди пиретроидных инсектицидов против тли эффективно используют препараты на основе пиметрозина или тиаклоприда

Идентификация и введение в культуру генов устойчивости к TuYV является альтернативной стратегией борьбы с этим вирусным заболеванием. Частичная устойчивость к вирусу была обнаружена у ресинтезированной (полученной путем искусственного скрещивания китайской капусты и сурепки) линии «R54», а также у корейского сорта ярового рапса «Yudal». Эти два источника устойчивости имеют разное происхождение, но в обоих признак устойчивости наследуется как доминантный. Среди всего многообразия рапса не выявлено ни одного генотипа, который был бы абсолютно устойчивым. Однако частичная устойчивость передана из двух выше упомянутых источников обеспечивает получение урожая без потерь из-за болезни.

Одним из возможных способов борьбы с вирусом может быть использование биотехнологических методов. Так по аналогии с созданием растений устойчивых к действию гербицидов или к поражению насекомыми-вредителями возможно создать и формы полностью устойчивые к вирусам, в том числе и к вирусу желтухи турнепса. На сегодняшний день биотехнологические методы генетического улучшения сельскохозяйственных растений значительно расширили возможности селекционеров и генетиков по сравнению с прошлым десятилетием. В течение последних нескольких лет стало возможным очень точное редактирование генов растений без значительных изменений в нецелевых участках генома. Для того чтобы наглядно объяснить в чем заключается суть редактирования отдельных генов можно провести определенную аналогию с редактированием текста. Генетический код принято записывать в виде четырех букв: А, Т, Г и Ц - это генетический алфавит. Как в языке буквы формируют слова, так в генетике буквы формируют гены. Предыдущее поколение биотехнологических методов улучшения растений предусматривало манипуляции с целыми генами, или же словами. Современные же методы предусматривают манипуляции с отдельными буквами.

Специалисты отдела биотехнологии растений Всеукраинского научного института селекции (ВНИС) используют методику редактирования генов CRISPR/CAS для создания нового исходного материала рапса. В лабораторных условиях тестируются новые линии устойчивые к действию гербицидов сплошного действия. В течение 2019 года в разных регионах Украины вирусологи института отобрали пораженные вирусом растения рапса для выделения местных рас вируса. На основе выделенных материалов разработаны генетические конструкции, которые обеспечат полную устойчивость растений к вирусу. Кроме повышенного уровня устойчивости к вирусу таким образом будет решена и проблема родства генетического материала, которое происходит каждый раз при интеграции нового важного признака во все генетическое разнообразие рапса. На сегодня проводится тестирование селекционерами ВНИС линии рапса устойчивой к вирусу желтухи турнепса.