СВЯЩЕННАЯ ДОЛИНА ИНКОВ В ПЕРУ —Здесь, на унылом коричневом холме, Дэвид Эллис осматривает пробный участок картофеля и качает головой. «Они мертвы, мертвы, мертвы», — говорит он. Вредители и отсутствие дождя уничтожили все 17 сортов, посаженных исследователями.
Это тревожный знак для Эллиса, ныне вышедшего на пенсию директора банка генов в Международном центре картофеля (CIP) в Лиме. Люди выращивали картофель на этом труднопроходимом участке Анд на протяжении тысячелетий. В последние годы эта задача усложнилась, отчасти из-за изменения климата. Засухи и морозы поражают все чаще. Дожди приходят позже, сокращая вегетационный период. А более высокие температуры позволили мотылькам и долгоносикам вторгнуться с более низких отметок.
Чтобы найти картофель, способный справиться с этими проблемами, исследователи и перуанские фермеров тестируют десятки из 4350 местных культивируемых сортов или местных сортов, хранящихся в холодильном хранилище CIP. Растения на этом участке не выдержали. «Местные местные сорта со временем эволюционировали, — говорит Эллис. Но, по его словам, изменение климата происходит «слишком быстро, чтобы эти разновидности могли адаптироваться».
В Перу и во всем мире повышение качества картофеля стало приоритетной задачей. Это самая важная продовольственная культура после пшеницы и риса. Картофель уже является основным продуктом питания для 1.3 миллиарда человек, а питательные клубни становятся все более популярными в развивающихся странах. Удовлетворение спроса означает адаптацию картофеля к различным почвам и климату. Он также должен противостоять новым угрозам от вредителей, болезней, жары и засухи.
Однако, в отличие от других основных сельскохозяйственных культур, у картофеля не было прорыва в селекции, который помог резко повысить урожайность во время Зеленой революции 1950-х и 1960-х годов. Причина в том, что создание нового сорта картофеля — дело медленное и сложное даже по меркам терпеливых селекционеров. Коммерческие сорта несут четыре копии каждой хромосомы, что заставляет селекционеров создавать и тестировать сотни тысяч сеянцев, чтобы найти только один с желаемой комбинацией признаков. Подготовка нового сорта для фермерских полей может занять десятилетие и более.
Многие страны продолжают выращивать популярные сорта картофеля, практически не меняющиеся на протяжении десятилетий. Но новые подходы, включая генную инженерию, обещают добавить больше возможностей. Селекционеры картофеля особенно рады радикально новому способу создания лучших сортов. Эта система, называемая гибридной диплоидной селекцией, могла бы сократить требуемое время более чем наполовину, упростить объединение признаков в одном сорте и позволить фермерам сажать семена вместо громоздких кусков клубня. «Это сильно изменит мир», — говорит Пол Струик, агроном из Вагенингенского университета в Нидерландах.
Чтобы вывести лучший картофель, нужно иметь под рукой много генетического сырья. Но мировые генные банки не полностью укомплектованы самым богатым источником ценных генов: 107 видами картофеля, которые растут в дикой природе. Потеря среды обитания угрожает многим популяциям этих растений. Стремясь сохранить это дикое разнообразие до того, как оно исчезнет, коллекционеры приложили самые большие усилия в рамках программы стоимостью 50 миллионов долларов, координируемой Crop Trust, межправительственной организацией, базирующейся в Бонне, Германия.
Сборщики и селекционеры борются с потеплением, высыханием и распространением вредителей. «Из-за изменения климата, — говорит Найджел Макстед, биолог по охране природы из Бирмингемского университета в Соединенном Королевстве, — нам требуется более высокий уровень разнообразия, чем когда-либо прежде».
Ближайшие предки культурного картофеля появились в Андах, где люди одомашнили это растение не менее 7000 лет назад. После того, как испанцы привезли клубень в Европу в 16 веке, он оставался ботанической редкостью и в основном скармливался домашнему скоту. Европейцы всерьез начали есть картофель только в 1800-х годах, во время голода наполеоновских войн.
Как только картошка прижилась, пути назад уже не было. Растение может расти в холодном климате и на бедной почве, а в некоторых местах дает несколько урожаев за сезон. После сбора богатые энергией клубни, насыщенные витамином С, можно хранить месяцами и готовить разными способами. Гектар картофеля может обеспечить в четыре раза больше калорий, чем зерновые культуры.
Подобно рису и пшенице, картофель был целью улучшения во время Зеленой революции. Урожайность увеличилась благодаря удобрениям и улучшенным методам ведения сельского хозяйства, но не взлетела до небес. Селекционеры картофеля не добились генетических преимуществ, подобных той, что позволила получить пшеницу с короткими крепкими стеблями, способными нести больше зерна.
Тем не менее мировое производство картофеля неуклонно растет. Китай удвоил свои урожаи за последние 20 лет. Сейчас здесь выращивают более чем в два раза больше картофеля, чем в Индии, следующем по величине производителе. Узбекистан и Бангладеш, среди других стран, стали зависеть от картофеля для обеспечения продовольственной безопасности. В 2005 году развивающиеся страны впервые вырастили больше картофеля, чем развитые страны. Многие африканские страны стремятся увеличить производство.
Чтобы собрать большие урожаи, фермерам придется справляться со многими рисками, в том числе с болезнями. Самый большой бич картофеля — грибовидный возбудитель Фитофтора инфестанс, который вызывает болезнь, называемую фитофторозом. Патоген спровоцировал ирландский картофельный голод в середине 19 века, и с тех пор селекционеры изо всех сил пытались его обуздать».Фитофтора всегда развивается и преодолевает сопротивление», — говорит Ядвига Сливка из Института селекции и акклиматизации растений в Млохове, Польша. Богатые страны используют фунгициды, чтобы свести к минимуму разрушительные потери от фитофтороза. Но в развивающихся странах погибает от 15% до 30% урожая.
Затем идут жара и засуха, которые усугубляются изменением климата. В некоторых частях мира фермеры сажают урожай раньше, чтобы он созрел до того, как ночи станут слишком жаркими, что препятствует образованию клубней. Но со временем фермерам потребуются более выносливые растения. «Мы сосредоточены на выращивании крепкого картофеля, который будет лучше работать в стрессовых условиях», — говорит Тиаго Мендес, селекционер картофеля из регионального офиса CIP в Найроби. «Наша цель — продовольственная безопасность».
Ключ к этому крепкому картофелю может ждать в диких видах, которые растут на юго-западе Северной Америки через Центральную и Южную Америку. Дикий картофель из Мексики, например, эволюционировал в присутствии П. инфестанс и может противостоять многим напряжениям. Многие другие дикие виды еще предстоит тщательно собрать или изучить.
Растущий аппетит
Производство картофеля выросло в Азии, особенно в Китае и Индии, и упало в Европе.19701980199020002010Млн.НАУКА; (ДАННЫЕ) ФАОСТАТ
В июне 2018 года рядом с пастбищем на юге Бразилии ботаник Густаво Хейден шел по набережной, не сводя глаз с высокой травы. Затем он опустился на колени и воткнул лопату в землю. "Ага! Посмотрите на это», — сказал Хайден, который работает с Бразильской корпорацией сельскохозяйственных исследований (EMBRAPA) в Пелотасе. Он выдернул низкорослое растение с маленькими клубнями, свисающими с его корней. Это было Паслен коммерческий, один из трех диких родственников картофеля, известных в Бразилии.
Бразилия находится далеко от центра происхождения картофеля в Андах. Но ареалы диких родственников простираются до штата Риу-Гранди-ду-Сул, где климат меняется от умеренного к тропическому. Растения в этой переходной зоне эволюционировали, чтобы пережить иногда суровые зимы и жаркое сухое лето. «Дикий картофель здесь, вероятно, хорошо приспособлен к экстремальным погодным условиям, которые будут случаться чаще с изменением климата», — говорит Хайден.
Поездка Хайдена по сбору урожая была лишь одним из элементов усилий Crop Trust по сбору, сохранению и разведению диких родственников 29 сельскохозяйственных культур, которые начались в 2011 году. Сборщики растений путешествовали по миру в таких экспедициях. Но они стали намного реже после того, как правительства начали принимать Конвенцию о биологическом разнообразии в 1990-х годах. Конвенция, призванная предотвратить недобросовестную эксплуатацию биоразнообразия, усложнила получение разрешений на сбор и обмен растительного материала. Международный договор о семенах, заключенный в 2004 году, облегчил обмен на сельскохозяйственные культуры и дикие сородичи, но сбор оставался в застое из-за отсутствия финансирования и опыта. «У нас не было опыта сбора дикого картофеля или его сохранения, — говорит Синтия Соррилья, заместитель директора по генетическим ресурсам Национального института сельскохозяйственных инноваций в Лиме.
Crop Trust предоставляет гранты и обучение коллекционерам по всему миру. Усилия по дикому картофелю, которые завершаются в этом месяце, позволили собрать коллекцию, представляющую 39 видов из шести стран: Перу, Бразилии, Эквадора, Гватемалы, Коста-Рики и Чили. Только команда Сорриллы обнаружила в Перу 31 вид, в том числе один, семена которого никогда не собирались. Они планируют продолжить поиск четырех других видов, которые все еще отсутствуют в банках генов. «Мы не остановимся, — говорит она. Растения хранятся в банках генов каждой страны, CIP и банке семян тысячелетия в Королевских ботанических садах Кью в Соединенном Королевстве. Сохраненные семена будут доступны селекционерам картофеля по всему миру.
Дальше начинается самое сложное: перенести нужные гены диких видов в культурный картофель. В прошлом селекционеры приобрели такие черты, как устойчивость к болезням, от дюжины диких видов. Эти победы были достигнуты с большим трудом, и на некоторые из них ушли десятилетия. Во многом это связано с тем, что дикие сородичи также несут много нежелательных признаков, которые сочетаются с чертами культурного картофеля и значительно снижают шансы селекционера найти хороший сорт.
Даже без дикорастущих сортов разведение картофеля — хрень. Поскольку линии размножения имеют четыре копии своих 12 хромосом, черты двух родителей проявляются в следующем поколении в весьма непредсказуемых комбинациях. Как говорят эксперты, нынешние сорта не размножаются, поэтому фермеры сажают кусочки «семенных клубней», которые дают генетически идентичные растения, а не семена. Усугубляя головную боль, заводчики отбирают сразу по многим признакам, что еще больше снижает вероятность обнаружения победителя. «Цифры становятся очень тяжелыми и очень быстрыми», — говорит Лора Шеннон, селекционер картофеля из Миннесотского университета в Сент-Поле.
Генетические маркеры, связанные с определенными генами, ускорили этот процесс. Чтобы выяснить, унаследовали ли сеянцы такой признак, как устойчивость к болезням, селекционеры могут быстро проверить наличие маркера, а не ждать, пока растения созреют, а затем подвергать их воздействию болезни. Даже с помощью этого инструмента селекционер картофеля должен проверять до 100,000 15 отпрысков в год. Может потребоваться XNUMX лет или больше, чтобы найти один с нужными характеристиками, полностью протестировать его и получить достаточное количество семенных клубней для распространения среди фермеров.
Еще одно разочарование заключается в том, что селекционеры картофеля не могут легко улучшить существующие сорта. После того, как сорт картофеля установлен, введение новых признаков при сохранении всех его предпочтительных характеристик практически невозможно. Вот почему классические, широко выращиваемые сорта, такие как красновато-коричневый бурбанк, до сих пор доминируют на рынке спустя десятилетия после их дебюта.
Тем не менее терпеливые заводчики, использующие традиционные методы, могут добиться впечатляющих результатов. В 2017 году, например, CIP выпустила четыре новых сорта в Кении в результате скрещивания установленных селекционных линий. В полевых испытаниях новые растения картофеля сохраняли урожайность при снижении количества осадков на 20% и повышении температуры на 3°C.
Такой успех показывает, что в существующих линиях разведения все еще существует генетическое разнообразие. Но исследователи опасаются, что генофонд может быть недостаточно глубоким, чтобы адаптировать картофель к будущим климатическим условиям или обеспечить другие улучшения. Однако дикий картофель обладает ценным неиспользованным генетическим разнообразием. Мендес говорит, что одна черта этих диких растений «может спасти нашу жизнь».
Поиск жизненных признаков уже идет. В прошлом году на исследовательской станции EMBRAPA недалеко от Пелотаса техники в лабораторных халатах склонились над дикими видами, собранными Хайденом. Они осторожно обмазывали свои бледно-лиловые цветы желтым порошком из пластиковой трубки, оплодотворяя их пыльцой одомашненного картофеля.
В соседней теплице столы были уставлены потомками предыдущих скрещиваний. Исследователи оценили тысячи этих саженцев на предмет здоровья и урожайности, среди прочих характеристик. Они проверяли старые растения на устойчивость к засухе, ограничивая воду в корытах с пластиковым покрытием. В камере с регулируемой температурой исследователи проверили способность других растений выдерживать высокую температуру; пожелтевшие растения казались душными.
Такое обширное тестирование направлено на то, чтобы как можно быстрее перенести дикие гены в традиционные программы разведения. Это часть более масштабных усилий EMBRAPA по оказанию помощи Бразилии в расширении производства картофеля, самой важной овощной культуры страны.
В Лиме Crop Trust финансировал CIP для тестирования диких сортов на наличие многообещающих признаков еще до начала селекции. В 2013 году исследователи центра приступили к характеристике 12 диких видов, собранных 30 лет назад. Согласно записям, эти виды могут переносить засуху и противостоять таким болезням, как бактериальное увядание, серьезной проблеме для развивающихся стран. Меридит Бонирбейл и ее коллеги посадили семена и протестировали растения в теплицах на главном объекте CIP. Сейчас Мендес расширяет свою деятельность до Кении.
Другие исследователи обходят ограничения традиционной селекции, используя генную инженерию. Марк Гислен из CIP и его коллеги, например, напрямую добавили гены в уже успешные сорта картофеля, не изменяя растения каким-либо другим образом — подход, невозможный при традиционной селекции. Они взяли три гена устойчивости к фитофторозу от диких сородичей и добавили их к сортам картофеля, популярным в Восточной Африке. Сконструированные сорта доказали свою эффективность в ходе трехлетних полевых испытаний в Уганде и проходят заключительные исследования для регулирующих органов. Трансгенный картофель, устойчивый к фитофторозу, уже поступил в продажу в США и Канаде.
Биотехнологические подходы имеют свои ограничения. Они преуспели с чертами, контролируемыми отдельными генами, такими как устойчивость к болезням и терпимость к синякам. Но улучшение сложных физиологических признаков, регулируемых многими генами, таких как эффективность использования воды, требует традиционной селекции, какой бы сложной она ни была.
В Вагенингене Пим Линдхаут замышляет революцию, которая устранит большую часть этой скуки и сложности. В качестве руководителя отдела исследований и разработок Solynta, стартапа, основанного в 2006 году, он и его коллеги разрабатывают новый способ селекции картофеля: создание гибридного потомства из чистокровных родительских линий. «Все были убеждены, что это невозможно, — говорит он. «Многие считали меня сумасшедшим».
Гибридная селекция произвела революцию в производстве кукурузы в 20 веке. Это позволило селекционерам быстро создать высокоурожайные сорта, обладающие так называемой гибридной силой. Первым шагом является создание инбредных родительских линий, которые имеют идентичные аллели на всех копиях хромосом; затем потомство этих истинно размножающихся родителей наследует предсказуемый набор признаков. Создание инбредных линий требует многократного самоопыления в течение многих поколений. Этот процесс имеет тенденцию ухудшать здоровье растений, но когда селекционеры скрещивают две инбредные линии, потомство в первом поколении является здоровым и имеет полезные черты от обоих родителей.
Селекционеры картофеля сомневались, что такой подход возможен для клубней. «Меня приучили верить, что картофель не может быть инбредным, — говорит Шелли Янски, селекционер картофеля из Министерства сельского хозяйства США в Мэдисоне. Одним из больших препятствий является то, что многие виды картофеля не могут удобрять себя. В 1998 году исследователи обнаружили ген, который каким-то образом позволяет одному дикому виду картофеля самоопыляться. Когда этот ген передается другим видам, он также позволяет им самоопыляться. Но в результате растения получаются хрупкими и дают щуплые клубни.
Следующим шагом будет инбридинг этих слабаков путем их самооплодотворения, поколение за поколением. Не утруждайте себя попытками сделать это дома: успех выращивания культивируемого картофеля, скорее всего, займет десятилетия из-за небольшой вероятности получения одного и того же аллеля во всех четырех копиях его хромосом. Селекционеры уменьшают сложность, либо используя виды только с двумя наборами хромосом (известные как диплоиды), либо манипулируя одомашненным картофелем, чтобы сократить количество хромосом вдвое. При настойчивости диплоидный картофель может быть инбредным. В 2011 году Линдхаут опубликовал первый отчет об инбредных диплоидных линиях, которые являются сильными и продуктивными. Совсем недавно Янски и его коллеги также создали инбредные диплоидные линии.
Такие диплоидные инбредные растения лежат в основе стратегии Solynta, направленной на революцию в селекции картофеля. Они позволят комбинировать признаки в коммерческих сортах с беспрецедентной точностью, легкостью и скоростью. И растения упростят усилия по добавлению желаемых признаков непосредственно от диких родственников, устраняя при этом их многочисленные недостатки, такие как маленькие клубни или плохой вкус. Нежелательные черты могут быть выведены из потомков диплоидного скрещивания с помощью стандартной техники, называемой обратным скрещиванием.
В 2016 году Solynta провела свои первые полевые испытания гибридных саженцев в Демократической Республике Конго и в 17 местах по всей Европе. Растения прижились хорошо, дав большие клубни в течение типичного вегетационного периода. Компания еще не выпустила на рынок сорт. В течение нескольких лет компания надеется создать индивидуальный картофель для рынков Европы и Африки. Другие фирмы, в том числе крупные семенные компании, также работают над созданием гибридного картофеля. HZPC в Джоуре, Нидерланды, начал полевые испытания в Танзании и в нескольких странах Азии.
Гибридная селекция «может изменить правила игры», — говорит генетик Гленн Брайан, глава группы генетики и селекции картофеля в Институте Джеймса Хаттона в Данди, Великобритания. «Это определенно сделает селекцию более гибкой».
Фундаментальные исследования могут извлечь пользу из этой работы. «Наличие диплоидного картофеля резко улучшит наше понимание генома картофеля», — говорит Шеннон. Хотя фирмы обычно держат свои инбредные растения в секрете, Solynta планирует выпустить линию, получившую название Solynthus, чтобы ученые могли изучить ее генетику. Янски, например, надеется, что дальнейшие исследования помогут выявить гены, контролирующие урожайность, которые затем можно будет использовать для повышения урожайности.
Гибриды также могут изменить способ посадки картофеля, предоставив фермерам возможность засевать поля настоящими семенами, потому что они генетически идентичны гибридам. Другое преимущество логистическое; например, для посадки 10 гектаров требуется всего 200 граммов легко транспортируемых семян по сравнению с 25 тоннами крупногабаритных клубней. В развивающемся мире, где качественные семенные клубни встречаются редко, семена также могут облегчить фермерам получение превосходных растений. И, возможно, самым большим преимуществом перед клубнями для бедных фермеров является то, что семена не передают серьезных болезней.
Гибридные семена картофеля не являются панацеей. Молодые растения растут быстрее и энергичнее из клубней, чем из семян, что в некоторых климатических условиях ставит семена в невыгодное положение. И в зависимости от того, насколько полно инбридинг, гибридный картофель может иметь клубни менее однородной формы, чем клубни традиционных растений, что является проблемой для фермеров, которые снабжают компании пищевой промышленности. Такие сложности побудили правительство Нидерландов провести исследование потенциального социально-экономического воздействия гибридного картофеля.
Благодаря накоплению генетического разнообразия коллекционерами и новым методам, обещающим преодоление сложностей генома картофеля, исследователи надеются, что смогут добиться значительных улучшений. «Это то, что поднимает меня по утрам», — говорит Янски. «Нет лучшего времени, чтобы быть селекционером, особенно селекционером картофеля».
Пока гибридная селекция и другие стратегии не позволят производить более устойчивый картофель, фермерам придется работать с имеющимися ресурсами. Здесь, в Священной долине в Перу, Эллис и другие представители CIP объединились с мелкими фермерами, входящими в ассоциацию, известную как Potato Park, которая занимается сохранением сотен местных сортов картофеля. Группа сажала этот красочный картофель на пробных участках.
Одни погибают от вредителей или засухи, как те, что Эллис нашел мертвыми, тогда как другие выживают. В мае 2018 года в рамках поиска более устойчивых клубней фермеры Картофельного парка аккуратно сложили красные, желтые и коричневые клубни, собранные на некоторых экспериментальных участках Эллиса, в ряды мешков, оценивая каждый сорт по урожайности и здоровью. Местные фермеры отказались от многих из этих стародавних сортов несколько поколений назад, поскольку деревни увядали и обменивались меньшим количеством растений.
Возвращение части этого древнего разнообразия в культуру может застраховать от изменения окружающей среды. В Potato Park фермеры уже пытались избежать вредителей и болезней, которые процветают при более высоких температурах, за последние 200 лет переместив свои культивации на 30 метров выше. Но Рене Гомес, куратор CIP по выращиванию картофеля, предупреждает, что пахотных земель на возвышенностях меньше.
Педро Кондори Киспе, один из производителей парка, с оптимизмом смотрит на то, что местные жители найдут способ продолжать здесь выращивать картофель. Картофелеводы, говорит он с улыбкой, «привыкли к трудностям».
Источник: https://www.science.org
