За матеріалами на тему «Цукровий буряк — інновації в конкуренції» («Sugar beet — competitive innovation») французького видання Quae, 2020 р.

Створення генетичного матеріалу

Метою схеми створення генетичного матеріалу програми АКЕР є «подрібнення» шматочків екзотичної ДНК, що несе мінливість, шляхом послідовних схрещувань в елітному матеріалі.

Починаючи з 2013 року шістнадцять еталонних рослин схрещували з елітним матеріалом, щоб природним шляхом схрещування ввести нові алелі екзотичного походження.

У 2014 та 2015 роках отримані схрещування F 1 (F = дочірнє покоління) (еліта × екзотика) були послідовно зворотно схрещені з елітою. Метою зворотного схрещування було збільшення частки еліти, зберігаючи при цьому частки екзотичної рослини. У кожному поколінні було вироблено по 100 000 рослин. Молекулярний аналіз дозволив відібрати 450 роослин, які будуть використані для подальших схрещувань з метою отримання наступного покоління.

У 2016 році відбулась фіксація рослин від схрещувань шляхом самозапліднення. Таким чином, в теплиці було посіяно 250 тис. рослин, щоб відібрати 3000 рослин для решти програми.

У 2017 році було проведено гібридизації в польових умовах на одній генетичній жіночій рослині, щоб представити мінливість 3000 чоловічих генотипів. Потім отримані гібриди фенотипувалися в 2018 та 2019 роках.

Критерії оцінки 3000 гібридів

У 2018 та 2019 роках на основі ряду критерій оцінки було проведено фенотипування 3000 гібридів за програмою відбору АКЕР — схрещування шістнадцяти еталонних рослин з елітною ідіоплазмою, зворотне схрещування у двох поколіннях з елітним матеріалом, самозапліднення та гібридизацію.

Вихід білого цукру з гектару

Вихід білого цукру з гектару буряків є результатом маси його кореня (врожайності) та вмісту білого цукру в ньому. Дослідження урожайності проводила компанія Florimond Desprez на шести платформах, розташованих у північно-паризькому басейні. Буряки висівалися у двох повторах на 34 000 ділянках у 2018 році та 22 600 ділянках у 2019 році. Кожна з них площею 10 м² включала близько 100 буряків. Збиральний комбайн ABC, спроектований спеціально для програми АКЕР, дозволяв вимірювати масу коренів безпосередньо в полі. Репрезентативний зразок коренів кожної ділянки заморожували в АВС, потім зберігали при 25°C для подальшого аналізу в лабораторних умовах.

Посівна під час досліджень фенотипування

Динаміка росту

Дві досліджувані платформи ITB з безпілотним апаратом визначали кінетику змінних рослинного покриву: швидкість змикання рядків, площу листя, кількість хлорофілу та азоту в листі. Із травня по липень проводилися чотири послідовності вимірювань.

Схильність до передчасного цвітіння

Буряк — дворічна рослина. Він “в основному” розмножується протягом другого року вегетації. Насіннєва стадія викликається яровизацією (період холоду, який переживає рослина, необхідний для переходу з вегетативної стадії в стадію розмноження). Дуже ранній посів дає змогу виразити перехід до насіннєвої стадії, а отже, охарактеризувати генотипи та усунути найбільш схильні з них до передчасного цвітіння.

Густий посів здійснювався в середині лютого на 5700 ділянках у 2018 році та 2100 ділянках у 2019 році. Первинний підрахунок популяцій, потім три підрахунки укорінених рослин (кінець червня, липень, серпень) дозволили визначити відсоток передчасного цвітіння та таким чином охарактеризувати стійкість досліджуваних генотипів.

Хвороби листя

Резистентність/стійкість до церкоспорозу та борошнистої роси, двох основних хвороб листя цукрових буряків, є основним напрямком отримання нового, ефективного генетичного матеріалу, який може призвести до скорочення застосування фітосанітарних продуктів, зокрема, фунгіцидів або взагалі відсутності необхідності їх застосування.

Спостереження проводилися на дослідних ділянках, а поведінку генотипів згодом підтвердили у більшому масштабі:

• для церкоспорозу, на південному заході після штучного зараження 2 850 ділянок із фенотипуванням за допомогою створення багатоспектральних зображень з використанням безпілотника;
• для борошнистої роси, в Нормандії на 2 850 ділянках у природних умовах з інтегративною оцінкою.

Крім того, стійкість до високого тиску ризоманії стала проблемою для селекціонерів, оскільки моногенна стійкість до ризоманії, надана геном Rz, в певних ситуаціях виявлялася досить слабкою. Поведінку гібридів програми АКЕР також оцінювали у Центральній Франції на 6900 ділянках у 2018 році та 2300 ділянках у 2019 році шляхом спостереження вражених/здорових рослин із метою виявлення нових джерел стійкості до ризоманії.

Придатність до зберігання

Збільшення тривалості бурякової кампанії — наслідок скасування системи квот та підвищення продуктивності інструментів промислової переробки — впливає на якість та придатність цукрових буряків до зберігання після їх викопування та збирання. Florimond Desprez розробила методологію прогнозування придатності до зберігання шляхом аналізу фізичної стійкості буряків. Із цією метою на Півночі Франції було створено 5700 ділянок у 2018 році та 3000 ділянок у 2019 році.

Отримані результати

Генетичні результати програми АКЕР, проаналізовані в 2018 році та підтверджені в 2019 році, викликали значний прогрес у критеріях врожайності та вмісту цукру, але ще більше у захисті від хвороб та виробництві насіння. Ці досягнення були перевірені за допомогою аналізу QTL (локусів кількісних ознак). Отримані результати є джерелом стабільності виробництва цукрових буряків та цукрової галузі в цілому.

Аналіз генетичної цінності

Результати тестів фенотипування 3000 гібридів із селекційної програми, проведених у 2018 році, були проаналізовані взимку того ж року. Класичний статистичний аналіз був проведений за допомогою різного програмного забезпечення для 13 референтних популяцій, кожна з яких складалася з 200 генотипів. Це був просторовий аналіз середнього значення виходу цукру з гектару (маса кореня, вміст цукру, домішки). Паралельно досліджувалася чутливість цих популяцій до різних хвороб — церкоспорозу, борошнистої роси, ризоманії — та навіть передчасного цвітіння. Дані порівнювалися з генетичним контролем, оскільки саме цей генетичний матеріал є результатом зворотного схрещування елітного сорту. Екзотичні фрагменти модулюють генетичну експресію цих генетичних контролів і дають фенотипи, що впливають на досліджувану характеристику. Таким чином, можна виділити корисні або токсичні генетичні ресурси.

Паралельно селекціонери також проводили порівняння з комерційним контролем, тобто найсучаснішими найбільш культивованими сортами (2018-2019 рр.). Останні є результатом генетичного прогресу, досягнутого традиційним відбором, тоді як для програма АКЕР проводила зворотні схрещування з елітним або комерційним матеріалом з 2012 року. Тому різниця є значною (1% генетичного прогресу в середньому за рік).

Результати фенотипування

Робота полягала в спостереженні за розподілом фенотипових значень особин тринадцяти референтних популяцій, порівняно з генетичним контролем. Дані представлені за критеріями. Розглядалися кількісні критерії, такі як врожайність, крива Гауса з мінімальним та максимальним значеннями. Отримані криві різні за критеріями, а також за значенням елітного вихідного матеріалу, який служить контролем. Наприклад, елітний матеріал продемонстрував дуже хороший вміст цукру в результаті селекції. Цей вміст близький до фізіологічного порогу: вміст цукру насправді не може перевищувати певні значення, так як клітини не підтримують ще вищий його вміст (визначається осмотичним тиском на клітинну мембрану через концентрацію розчинних речовин).

Більшість екзотичних ресурсів зменшують вартість культивованих цукрових буряків, але рідкісні фрагменти екзотичної хромосоми дають покращення, яке, в будь-якому випадку, залишається відносно незначним, оскільки обмежується фізіологічним порогом.

Результати 2018 року, представлені згідно з критеріями виходу білого цукру (WSY), вмісту цукру (% S) та врожайності буряків (т/га). 16 зразків показують джерела прогресу за цими критеріями, позначені синім кольором зразки мають суттєво вищу ефективність.

Взаємозв'язок між фенотипуванням та генотипуванням

Беручи до уваги критерій вмісту цукру, були виявлені нові ділянки геному, які сприятимуть збільшенню та підтримці високого вмісту цукру. І навпаки, ділянки геному, які вирізняються своїм негативним впливом на вміст цукру.

Незважаючи на необхідність проведення додаткових досліджень, ми вже можемо розглянути накопичення геномних зон, що сприяють високому вмісту цукру, та/або характеристику цих зон для їх взаємодії з навколишнім середовищем. Сприятливі гени, наприклад в океанічних або, навпаки, континентальних умовах, можуть підтримувати кращу здатність та особливо стабільність експресії цієї характеристики, коли ці геномні зони накопичені в одному і тому ж генотипі.

Ці припущення можуть, звичайно, стосуватися всіх характеристик: урожайності, а також стійкості до хвороб, наприклад, коли є різні штами патогенів або їх агресивність/вірулентність, що залежить від навколишнього середовища.

Контрастність сортової поведінки з різними профілями листового покриву під час значного водного стресу

Досліджувані ознаки також є показниками збільшення врожайності та адаптаційних можливостей рослин. Інструменти фенотипування, такі як дослідження листового покриву, можуть показати здатність певних зразків пристосовуватися до нових екологічних зон. Те саме стосується і врожайності: деякі зразки ростуть швидко, але потім їх ріст сповільнюється, тоді як інші спочатку розвиваються повільно та досягають інтенсивного розвитку, коли збільшується тривалість вегетаційного періоду. Погодні умови, очевидно, визначають тривалість та інтенсивність розвитку цукрових буряків.

Це припущення також може стосуватися хвороб: деякі зразки можуть демонструвати хорошу стійкість, яка, на жаль, погіршується в середині/наприкінці вегетації, тоді як інші, помітно менш стійкі зразки буряків, будуть демонструвати хорошу динаміку розвитку. Нарешті, для повної характеристики цих генотипів із високим агрономічним потенціалом необхідно проаналізувати якість насіння та динаміку його проростання, так як ця ознака є головним фактором адаптації, особливо при низьких температурах.

Визначення QTL

Всегеномне дослідження асоціацій (GWAS) дозволяє зв’язати дані фенотипування та генотипування 3000 відібраних гібридів, щоб визначити QTL (локуси кількісних ознак), тобто геномні області, пов’язані з мінливістю фенотипу.

Було визначено локуси кількісних ознак (QTL) у всіх дев'яти хромосомах буряка для тринадцяти досліджуваних популяцій. Їх кількість варіюється від однієї популяції до іншої. Там, де вони різняться між популяціями, QTL часто здаються специфічними для конкретного екзотичного з’єднання. Таким чином у двох популяціях було виявлено чотирнадцять QTL, а в трьох популяціях лише одну.

Серед 1 380 виявлених QTL 322 виражають позитивний вплив екзотичного алелю. Беручи до уваги критерії, крім тих, що пов’язані з виходом білого цукру, наприклад стійкість до хвороб (церкоспорозу та борошнистої роси) та проростання насіння, було виявлено 200 QTL, 89 з яких мають сприятливий вплив.

Якщо ми розглянемо результати для всіх популяцій, поєднаних за фенотиповим/генотиповим критерієм, для виходу цукру та його компонентів було виявлено дуже багато QTL, але в кінцевому рахунку дуже мало з них були сприятливими (тобто корисними) алелями. Вони розподілені майже по всіх хромосомах із більш сприятливими ділянками на 7, 8 і 9 хромосомах для мелясогенних елементів та менш сприятливими на 2 хромосомі.

Щодо захворювань, кількість QTL значно менша, хоча вони в основному сприятливі, а тому дуже перспективні як для церкоспорозу, так і для борошнистої роси. Ці QTL виявилися переважно в чотирьох популяціях, і деякі з них, здається, є спільними між цими двома захворюваннями. Щодо проростання насіння, було визначено численні негативні геномні зони. Ці ділянки відрізняються від відомого гена однорічності, а, отже, повинні покращити стійкість проростання насіння елітного матеріалу, незалежно від однорічного/дворічного аспекту.

Ці ресурси стійкості/резистентності порівнювалися з ресурсами, які вже використовувалися у поточних програмах вдосконалення цукрових буряків.

Результати аналізу QTL за ознаками показують вміст цукру та значний геномний розподіл. Однак слід виділити два дещо особливі випадки: передчасне цвітіння та чутливість до церкоспорозу. Екзотичні джерела явно викликають схильність до передчасного цвітіння, що і слід було очікувати, оскільки ця ознака була відібрана під час вдосконалення цукрового буряка. Але з іншого боку, вони також забезпечують стійкість до таких захворювань, як церкоспороз. Також дивно, що для церкоспорозу, на відміну від борошнистої роси, майже не існує несприятливих екзотичних алелей.

Перспективи

При детальному аналізі перші результати 2019 року демонструють узгодженість результатів основних зразків, обраних серед кращих (і найгірших) за 2018 рік. Це багаторічне підтвердження у виявленні найкращих зразків підтверджує надійність експерименту, враховуючи багаторічні варіації, зокрема кліматичні показники, які продемонстрували дуже помітну різницю між 2018 та 2019 роками. Таким чином експеримент є надійним, а також дозволяє ідентифікувати генотипи з хорошою адаптацією до різних умов навколишнього середовища. Отже, пристосованість або адаптацію можна запозичити з геномів екзотичних буряків. 

Зіткнувшись із проблемами глобального потепління та, особливо, його більшою нестабільністю, на додаток до потенціалу продуктивності, важливо зазначити, що можна генерувати ресурси стабільності, які здатні краще поглинати неминучі зміни навколишнього середовища. Майбутні елітні сорти завдяки своїй кращій пристосованості зможуть забезпечити більш передбачуваний прибуток як для виробників, так і для переробників цукрових буряків, та відповідати більшим екологічним вимогам.