Irri – International Rice Research Institute – Международный нии риса, Филиппины

КО – Кызылорда, собственные образцы генетической коллекции

ГМС – генная мужская стерильность

ЦМС – цитоплазматическая мужская стерильность

СГП – сложногибридная популяция

NPT – New plant type

ТОО – Товарищество с ограниченной ответственностью

РК – Республика Казахстан

МСХ – Министерство сельского хозяйства

шт. – штук

млн. – миллион

МСХ – Министерство сельского хозяйства

га – гектар

кг/га – килограмм на гектар

ц/га – центнер с гектара

г – грамм

см – сантиметр

т – тонна

КазНИИР им. И. Жахаева – ТОО «Казахский научно-исследовательский институт рисоводства им. И. Жахаева»

к.с.-х.н. – кандидат сельскохозяйственных наук

д.с.-х.н. – доктор сельскохозяйственных наук

АО – Акционерное общество

ТОО – Товарищество с ограниченной ответственностью

ОХ – Опытное хозяйство

ОП – Опорный пункт

С., стр. – страница

г. – год

NPK – азот, фосфор, калий

НИР – научно-исследовательская работа

т.е. – то есть

НИУ – научно-исследовательское учреждение

НИИ – научно-исследовательский институт

WARDA – West Africa Rice Development Association

IITA – International Institute of Tropical Agriculture

CIAT – Centro International de Agriculture Tropical

ДНК – Дезоксирибонуклеиновая кислота

QTL – Quantitative Traits Loci

ICRRNOM – Inter-regional Cooperative Rice Research Network on Mediterranean Climate

MAS – Marker-assisted selection

США – Соединенные Штаты Америки

CO – Constans

Zn – цинк

Cu – медь

Са – кальций

ВНТК – Высшая научно-техническая комиссия

ГСИ – Госкомиссия по сортоиспытанию сельскохозяйственных растений

ПНИИАЭСХ – Приаральский научно-исследовательский институт агроэкологии и сельского хозяйства

ВТО – Всемирная торговая организация

Введение

Оценка современного состояния решаемых научно-технических проблем (обзор литературы)

Современное мировое рисоводство развивается в условиях усиления глобальных проблем: невозможность вовлечения в оборот новых пахотных земель; снижение плодородия рисовых почв; прогрессирующий дефицит поливной воды вследствие урбанизации, роста промышленного производства и народонаселения; усиление негативных экологических воздействий.

Решающая роль в обеспечении объемов производства риса, достаточных для удовлетворения растущего спроса, отводится селекции культуры.

Для современной селекции риса характерны специализация и концентрация больших коллективов ученых, и совместная работа по общим программам в крупных континентальных и региональных НИУ [1].

Лидирующие позиции в развитии мирового рисоводства и селекции занимает Международный НИИ риса (International Rice Research Institute – IRRI) на Филиппинах.

В Африке (Либерия) созданы Западноафриканская ассоциация развития рисоводства (West Africa Rice Development Association – WARDA) и Международный НИИ тропического сельского хозяйства в Нигерии (International Institute of Tropical Agriculture IITA). Страны американского континента проводят исследования под патронажем Международного Центра тропического земледелия в Колумбии (Centro International de Agriculture Tropical, CIAT). Европейские государства объединяет Международная организация по совместному изучению риса в Средиземноморье (Inter-regional Cooperative Rice Research Network on Mediterranean Climate - ICRRNOM). Список крупнейших национальных селекцентров включает 117 институтов и станций в 23 странах.

Отличительной особенностью современной селекции риса является тесная связь с новой научной дисциплиной – геномикой риса, основное направление которой картирование, секвенирование, функциональный анализ генома риса и отдельных его сайтов. Развитию геномики способствовали создание геноинженерных методов маркирования ДНК, экспрессии отдельных генов и генных локусов [2, 3]. Разработана комплексная мировая стратегия – программа «Супер рис» (Green super rice), включающая создание сортов риса нового поколения на основе современных достижений селекции и геномики [4].

В рамках проекта «Супер рис» синтезирован новый тип растения риса (New plant type – NPT), послуживший прототипом сортов с потенциалом урожайности на 30% выше, чем у существующих [5, 6]. Новыми моделями, наряду с морфофизиологическими модификациями предусмотрен отказ от обильнокустящегося типа растения с метелками средней крупности в пользу морфотипа с низким потенциалом побегообразования (3-4 стебля при прямом посеве), но очень крупными (200-300 колосков) метелками [7-12]. В настоящее время идеотипы риса с увеличенным потенциалом продуктивности за счет крупных метелок с высокой озерненностью и плотностью колосков синтезируются и внедряются в КНР [13], Японии [14], России [15] и других странах [16-20]. Реализация селекционных программ повышения потенциала продуктивности значительно интенсифицируется с использованием методов геномики, в частности, картированием и переносом локусов количественных признаков (Quantitative Traits Loci - QTL) не только внутри культурного вида риса, но межвидовой и даже межродовой интрогрессии [21-28].

Разработаны новые технологии создания и оценки исходного материала, в процессе практической традиционной селекции, в частности:

1. Межподвидовая indica/japonica гибридизация, использование в схемах скрещиваний полусуходольных экотипов «Bulu», «Aus» тропического подвида риса japonica [29].

2. Использование генетических систем стерильности [30, 31].

3. Внедрение метода «state – of the art», обеспечивающего много-функциональный мониторинг селекционного материала на основе генетического маркирования – Marker-assisted selection (MAS) [32, 33].

4. Пирамидирование генетических локусов различных благоприятных признаков [34].

5. Привлечение фермеров к участию в селекционном процессе – Participatory plant breeding [35].

Мощная государственная поддержка селекции и генетики, использование современных достижений в практике, внедрение и строгое соблюдение новейших интегрированных систем агротехники (Rice-ICM) способствуют резкому повышению урожайности риса. Лидирующие позиции в последние годы занимают Австралия и Египет со средней урожайностью 9,7 и 9,1 т/га соответственно [36]. В топ-десятку стран также входят Греция (7,8 т/га), США (7,0 т/га), Испания (6,9 т/га), Япония (6,7 т/га), Республика Корея (6,6 т/га), Уругвай (6,4 т/га), Португалия, Китай (6,2 т/га).

Не менее важное, наряду с повышением продуктивности, в проекте «Супер рис» внимание уделяется повышению устойчивости к экологическим стрессам, маловодопотреблению, скороспелости новых сортов. Селекция на солеустойчивость, холодостойкость актуальна практически во всех рисосеющих странах мира [37, 38, 39]. Значительные площади посевов характеризуются повышенным содержанием токсичного железа, алюминия. Установлен генетический контроль устойчивости к токсичности металлов и возможность селекционного улучшения генотипов [40, 41]. В связи с неуклонно возрастающим дефицитом поливной воды все актуальнее становится проблема маловодопотребления и «засухоустойчивости» [42]. Установлено, что решающая роль в формировании общего потенциала онтогенетической адаптации к засолению, холоду, недостатку (и наоборот - избытку) влаги, токсическим продуктам, принадлежит первым этапом развития растений, несмотря на меньшее число экспрессируемых в этот период генов. Комплексными интегральными показателями, характеризующими общую степень устойчивости в стрессовых условиях, являются интенсивность начального роста проростков и накопления корневой биомассы [43, 44, 45]. Данные современной геномики риса свидетельствуют о большом разнообразии QTL резистентности, разной их хромосомной локализации, зависимости экспрессивности и пенетрантности, особенностей межгенных и внутрилокусных взаимодействий от генотипической и внешней среды [46, 47, 48, 49, 50, 51]. Создан новый мощный промотор с сильной дупликационной активностью для рекомбинации генов, повышающих стрессоустойчивость без снижения потенциала продуктивности [52]. Перспективной в плане повышения толерантности растений культурного риса является интрогрессия признаков от близкородственных видов и диких сородичей [53, 54, 55, 56].

Решение проблемы дефицита гидроресурсов напрямую связано с реализацией скороспелых, маловодопотребляемых сортов и гибридов риса [57].

Селекция скороспелых сортов широко развернута во всех рисосеющих странах и преследует, наряду с сокращением оросительной нормы и экономией поливной воды, самые различные цели: использование отавной культуры, пересев сильно изреженных или погибших вследствие стихийных бедствий посевов других сортов, получение 2-3 урожаев в год. Раннеспелость сорта широко используется как фактор физиологического избежания поражения биотическими и абиотическими стрессами [58]. Раннеспелые сорта и гибриды часто характеризуются повышенным содержанием белка в зерне [59].

Идентифицировано более 15 локусов, контролирующих дату выметывания и скороспелость сорта. Некоторые гены (Hd 1) риса – ортологи генов Арабидопсиса (Constans - CO), и наряду со структурными осуществляют и регуляторные функции, стимулируя или, наоборот, ингибируя раннее выметывание в зависимости от условий внешней среды [60]. Феномен ортологии локусов значительно повысил интерес исследователей к скринингу генов раннеспелости диких сородичей культурного риса [61]. Между скороспелостью и продуктивностью часто наблюдается отрицательная скоррелированность, обусловленная в основном быстрым наливом зерна, однако современными методами генетики и селекции удается эффективно преодолеть эту зависимость [62].

Актуальными в современной селекции остаются проблемы повышения качества продукции [63]. Наряду с улучшением традиционных, имеющих общемировое значение показателей – физические, крупяные свойства семян, уровни амилозы и белка, кулинарные параметры [64, 65, 66, 67, 68], в последние годы интенсифицированы селекционные, молекулярно-генетические исследования специфических, имеющих локальное значение, свойств зерна риса: глютинозности, аромата [69, 70, 71]. Значительно расширяются исследования возможностей биообогощения рисовой крупы, повышения жизненно важных микроэлементов и витаминов [72]. Выделены источники высокого содержания в крупе риса железа (Fe), цинка (Zn), кальция (Ca), меди (Cu), калия (K), магния (Mg), марганца (Mn), фосфора (P) и других полезных для здоровья элементов. Генетический анализ выявил высокую степень аддитивных, неаддитивных и реципрокных эффектов в детерминации уровня минералов в зерне риса. Локализованы три QTL высокого железосодержания на хромосомах 7,8 и 9 с фенотипической вариацией 30,3%, 21,3% и 19,0%. Разработана стратегия селекции с использованием технологий геномики (MAS) [73, 74]. Созданы линии с высоким содержанием Fe и Zn [75]. Геноинженерными методами синтезирован «Golden Rice» (Золотой рис) с высоким содержанием провитамина A [76].

На основе рецессивных мутантов «Giant Embrio» (Гигантский зародыш) разворачиваются работы по селекции «высокомасличных» сортов с уровнем масличности на 40% выше существующих [77].

Питательная ценность крупы в значительной мере зависит от аминокислотного состава, по которому белок риса самый полноценный среди других злаков. Биотехнологическими методами осуществлены перенос гена OASAID и индукция его инициации в растениях риса, что привело к двухкратному увеличению триптофана по сравнению с контрольными растениями [78]. Аналогичные манипуляции проводятся и с другими незаменимыми кислотами рисового белка.

Основание и исходные данные для разработки программы и методики НИР

Основанием приказа некоммерческого акционерного общества «Национальный аграрный научно-образовательный центр» №04 л/с от 5 января 2016 года, с одной стороны, и Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахский научно-исследовательский институт рисоводства имени Ибрая Жахаева», именуемое далее «Соисполнитель», в лице временно исполняющего обязанности генерального директора Умирзакова Серикбая Идрисовича, действующего на основании приказа некоммерческого акционерного общества «Национальный аграрный научно-образовательный центр» №04 л/с от 5 января 2016 года, с другой стороны, на основании пункта 7 Договора от 22 мая 2015 года №40 между Министерством сельского хозяйства РК и ТОО «Казахский научно-исследовательский институт земледелия и растениеводства» на выполнение прикладных научных исследований в области агропромышленного комплекса на 2015-2017 годы по бюджетной программе 255 «Создание условий для развития производства, переработки, реализации продукции растениеводства» по подпрограмме 106 «Программно-целевое финансирование научных исследований и мероприятий в растениеводстве».

Для реализации проекта заключен договор № 40-4 от 31 мая 2016 года между ТОО «Казахский научно-исследовательский институт земледелия и растениеводства» и ТОО «Казахский научно-исследовательский институт рисоводства им. И. Жахаева».

Исходные данные – методами скрининга спонтанных мутантов, рекомбинаций генетически дивергентных форм созданы новые, не имеющие аналогов варианты идиотипов. С момента принятия собственной Казахстанской программы формирования генофонда риса, количество коллекционных образцов увеличены до 1550.

Для решения проблемы успешной наследственной интеграции филогенетически отдаленных форм мы разработали, апробировали и практически внедрили методы гибридизации на основе генетических систем стерильности (ГМС и ЦМС). Первоначально исходные родительские сорта скрещиваются с общим источником рецессивной мужской стерильности. На фертильных гибридах F₁ методом топкросса оценивается комбинационная способность родителей, и отбраковываются популяции с низкой ОКС по продуктивности метелки. Из урожая каждого оставленного гибрида отбирается одинаковое количество семян, которые объединяются в одну партию и после тщательного перемешивания высеваются как смесь нескольких простых гибридов F₂ (примерно 10-12) или сложногибридная популяция – СГП. Около 25% растений в F₂ такой СГП несут признак мужской стерильности и неограниченно-свободно ветроопыляются фертильными сегрегантами. На этом завершается первый цикл скрещиваний. Собранные со стерильных растений первого цикла семена высеваются отдельно и дают в потомстве F₁ уже более сложные гибриды, которые расщепляясь при пересеве в F₂ на фертильные и стерильные формы, снова скрещиваются между собой, формируя новые рекомбинации с еще более сложной генеалогией. Далее подобным образом создаются популяции последующих циклов, в потомстве которых в результате ауткроссинга постоянно возрастает концентрация нужных генов. Использование каждой отдельно взятой СГП заканчивается обычно в F₅-F₆, когда доля стерильных гомозигот уже значительно снижена, а фертильные достигли достаточного уровня константности для отбора элит и изучения их потомств в селекционном и последующих питомниках.

Обязательными при использовании данного метода являются ежегодная браковка и отбор для пересева семян лучших по числу колосков на метелке растений, как стерильных, так и фертильных. Характерной особенностью отличается и репродуцирование ранних генераций СГП – F₂-F₃, которые размещаются на естественных провокационных фонах – пониженных, наиболее засоленных участках чека с постоянным избыточным затоплением в период прорастания и всходов. Такая технология способствует повышению в популяциях концентрации высокопродуктивных генотипов с более совершенным гомеостазом развития и хорошо адаптированных к экстремальным условиям среды. Следует отметить, что в предлагаемом виде способ создания исходного материала, совмещающий в себе методические элементы топкросса, поликросса и периодического отбор, на рисе применяется впервые (Заключение о выдаче инновационного патента на изобретение № 31822/02 от 26 декабря 2008 г).

Возможность получения значительного количества гибридных семян позволила развернуть исследования, связанные с проверкой выделяемых коллекционных образцов на донорские свойства, ценных генетических признаков. Детализированы параметры модели перспективных для Казахстанского Приаралья сортов, учитывающие экологические и генотипические особенности местности и собранного генофонда риса.

Изобретен способ отбора высокопродуктивных форм зерновых культур (№ патента 9866 от 15.02.2001 г.). Его использование позволяет проводить оценку форм из гетерогенных гибридных популяций, где визуальная идентификация генотипа по фенотипу невозможна из-за аллоконкуренции, сокращает время отбора и проверку потомств, затраты на выращивание больших гибридных популяций.

Сформированы селекционные, контрольные и конкурсные питомники с общим ежегодным объемом изучения не менее 1,2-1,5 тыс. номеров.

Практическая целесообразность проекта доказана созданием сложными индика/японика скрещиваниями на основе ауткроссинга районированного с 2005 года сорта Арал 202, КазНИИР-5 (2010 г.) и перспективных сортов Арал 69, Арал 318, Арал 4, КазЕр-6, КазНИИР-7, АйСауле.

Обоснование необходимости проведения НИР

Основные сорта риса, возделываемые в Казахстане – Маржан, Лидер, Янтарь – уже не в состоянии отвечать возросшим запросам производства, перерабатывающей и пищевой промышленности.

Кроме того, анализ тенденции развития растениеводства в Казахстанском Приаралье показывает, что в перспективе оно будет развиваться в условиях еще более жесткой ограниченности водных ресурсов из-за роста населения региона. Следовательно необходима разработка и внедрение ресурсо-, и в первую очередь водосберегающих технологии возделывания риса.

В то же время оросительная норма для среднеспелых сортов риса (111-115 дней) типа районированного Маржан достигает 22-24 тыс. м³/га. Самым радикальным методом сокращения расходов гидроресурсов является внедрение и расширение посевов скороспелых (95-100 дней) сортов. Только одно это мероприятие без каких либо дополнительных технологических затрат позволит сэкономить в среднем 20-25% воды на гектар. Поэтому в последнее время при передаче сортов на ГСИ обращается внимание не только на конкурентоспособность сортов по урожайности и качеству, но и по затратам воды на формирование единицы урожая.

Представленные данные показывают насущную необходимость развития селекции на скороспелость в условиях Казахстанского Приаралья.

Создание принципиально новых сортов на основе отдаленной межподвидовой гибридизации будет способствовать улучшению удовлетворения повышенного потребительского спроса крупой с высокими кулинарными свойствами, повышению конкурентоспособности продукции рисоводства на рынках СНГ и дальнего зарубежья, что очень существенно в плане перспектив вступления РК в ВТО. Предполагаемый рост урожайности от внедрения новых сортов с улучшенными крупяными свойствами зерна приводит к повышению технологичности переработки зерна на промышленных предприятиях, снижению себестоимости продукции и экономической эффективности рисоводства РК в целом.

Увеличение адаптационного потенциала новых сортов благоприятно скажется на преодолении негативных последствий Аральского экокризиса в сельском хозяйстве. Внедрение маловодопотребовательных скороспелых сортов позволит сэкономить не менее 25% поливной воды на каждом гектаре. Ежегодная общая площадь посевов риса в Казахстанском Приаралье в настоящее время 65-70 тыс. га; районирование скороспелых сортов на площади 20-25 тыс. га позволит сократить ежегодную норму водопотребления на 100-125 млн. кубометров. Немаловажный экономический аспект представляет снижение трудо- и энергонапряженности полевых работ, улучшение посевных и товарных качеств зерна риса.

Повышение содержания белка в зерне скороспелых сортов риса улучшить кулинарные качества заготавливаемой крупы, ее диетические и питательности свойства. В целом, предполагаемая экономическая эффективность от внедрения новых сортов ожидается на уровне 40,0 тыс. тенге/га.

Сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки

Показатели уровня планируемой научно-технической разработки (нового сорта) показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Показатели технического уровня объекта разработки

Наименование показателей	Значения показателей
	объект разработки, производства на 2017 г.	отечественные и зарубежные объекты аналогичного назначения (с указанием моделей фирм, стран, года известности)			прогноз на 2017 г.
		отечественные аналоги	зарубежные аналоги
		сорт риса Маржан (Казахстан)	сорт риса Новатор (Россия)	сорт риса IR72 (IRRI)
Вегетационный период, дней	106-108	112	105	120	Прогнозируемые к 2017 году параметры сортов мировых селекцентров не превысят значений объекта разработки. Отдельные параметры планируемого объекта будут превышать значения зарубежных аналогов
Урожай риса-сырца, т/га	10-12	7-8	8-9	9-10
Выход крупы, %	61-63	51-55	51-55	52-56
Содержание амилозы, %	21-23	17-20	21-23	21-23
Адаптивность к условиям возделывания	0,25-0,30	0,21-0,25	0,15	0,10
Водопотребление, тыс.м3/га	19-20	25-27	20-22	25-27

Актуальность

Кызылординская область Казахстана – основной рисосеющий массив страны, где сосредоточено более 80% посевных площадей культуры, возделывание и реализация которой обеспечивает занятость около 400 тысяч человек из общих 650 тысяч населения области. Основные проблемы, сдерживающие рост и повышение мировой конкурентоспособности продукции рисоводства следующие:

1. Негативные почвенно-климатические изменения, вследствие Аральского экокризиса.

2. Стабилизация продуктивности современных сортов вследствие их генетической унификации.

3. Невозможность сортосмены интродукционными сортами вследствие их низкой адаптивности к специфическим местным условиям.

Абиотически устойчивые местные сорта позволят эффективно осваивать для других культур засоленные земли, вводить в сельхозоборот новые культуры, в первую очередь, люцерну, использование которой способствует повышению продуктивности животноводства.

Эффективное рисоводство на основе собственных адаптированных сортов имеет и огромное социальное значение в плане трудовой занятости в Казахстанском Приаралье – главном рисосеющем поясе РК, численность сельского населения которого превышает 400 тыс. человек. Увеличение валовых сборов за счет внедрения отечественных сортов будет способствовать расширению промышленной переработки (в т.ч. и глубокой) риса-сырца, что позволит создать дополнительно 5-10 тысяч рабочих мест, увеличить доходность и качество жизни населения.

Новизна

Реализация проекта будет осуществляться на основе ряда принципиально новых подходов к решению поставленных задач, в частности: будут определены стратегические приоритеты казахстанской селекции риса, использоваться уникальные, синтезированные авторами проекта формы нового таксона риса (умеренный indica) и новые оригинальные схемы синтеза исходного материала и селекционного процесса; разработаны принципиально новые сорта риса, предусматривающие повышение генетического потенциала общей и продуктивной урожайности в сочетании с сохранением эволюционно обусловленной экоустойчивости казахстанских местных сортов.

Научная и практическая значимость

Создание принципиально новых сортов на основе отдаленной межподвидовой гибридизации будет способствовать улучшению удовлетворения повышенного потребительского спроса крупой с высокими кулинарными свойствами, повышению конкурентоспособности продукции рисоводства на рынках СНГ и дальнего зарубежья, что очень существенно в плане вступления РК в ВТО. Предполагаемый рост урожайности от внедрения новых сортов с улучшенными крупяными свойствами зерна приводит к повышению технологичности переработки зерна на промышленных предприятиях, снижению себестоимости продукции и экономической эффективности рисоводства РК в целом.

Увеличение адаптационного потенциала новых сортов благоприятно скажется на преодолении негативных последствий Аральского экокризиса в сельском хозяйстве. Внедрение маловодопотребовательных скороспелых сортов позволит сэкономить не менее 25% поливной воды на каждом гектаре. Ежегодная общая площадь посевов риса в Казахстанском Приаралье в настоящее время 65-70 тыс. га; районирование скороспелых сортов на площади 20-25 тыс. га позволит сократить ежегодную норму водопотребления на 100-125 млн. кубометров. Немаловажный экономический аспект представляет снижение трудо- и энергонапряженности полевых работ, улучшение посевных и товарных качеств зерна риса.

Повышение содержания белка в зерне скороспелых сортов риса улучшить кулинарные качества заготавливаемый крупы, ее диетические и питательности свойства. В целом, предполагаемая экономическая эффективность от внедрения новых сортов ожидается на уровне 70,0 тыс. тенге/га.

Цель и задачи исследований 2017 г.

Цель работы: Интенсификация рисоводства и обеспечения казахстанского АПК конкурентоспособности сортами риса, гарантирующими экспорт ориентированную по качеству продукцию, соответствующую требованиям международные стандартов и дальнейшее внедрение их в производство с учетом почвенно-климатических особенностей эколого-географических зон рисосеяния республики.

Основные задачи:

1. Формирование питомника исходного материала, гибридизация источников и доноров скороспелости и продуктивности.

2. Идентификация гибридных комбинаций с благоприятным сочетанием генных взаимодействий, детерминирующих скороспелость и продуктивность, отбор элит с необходимыми признаками и свойствами.

3. Оценка номеров в селекционном, контрольном и конкурсном питомниках.

4. Оценка лучших селекционных номеров по крупяным достоинствам зерна, устойчивости к абиотическим стрессам.

5. Биохимическая оценка коллекционных, селекционных образцов, перспективных сортов.

6. Государственное испытание перспективных сортов.