Иосиф Абрамович Рапопорт (1912 — 1990)

С тех пор, как человек занялся земледелием, он непрерывно стремится улучшать свойства полезных растений. Долгие века для этого были в ходу лишь стихийные приемы селекции. Затем за переделку сельскохозяйственных растений взялись селекционеры. И постепенно расширялся арсенал средств и методов селекции. В число последних их достижений входит создание сортов интенсивного типа. И, наконец, настала пора использования широких возможностей генетики.

Но создание сорта еще требует многих лет работы. Новые же перспективные сорта нужны людям сейчас, в ближайшие годы. А значит нужны новые более эффективные методы конструирования сортов. Один из генетических подходов основан на химическом мутагенезе. С его помощью можно в короткий срок изменить наследственную природу растения, добиться "всплеска" у него хозяйственно ценных признаков.

В конце 1976 г. на коллегии Министерства сельского хозяйства СССР рассматривался вопрос о состоянии исследований в области химического мутагенеза. Работы эти признаны перспективными, открывающими новые возможности в селекции сельскохозяйственных культур.

Наш корреспондент В. Ананьина встретилась с заведующим Отделом химической генетики Института химической физики АН СССР профессором И.А. Рапопортом и попросила его рассказать об этом новом направлении в генетике и селекции.

Вопрос. О химическом мутагенезе порой говорят как о чудодейственном средстве, позволяющем изменять свойства растений в нужном нам направлении. Что в этом правда, а что преувеличение? Хотелось бы получить ответ на этот вопрос, что называется, из первых рук – ведь Вы являетесь автором химических мутагенов и руководите работами по их применению в селекции.

Ответ. Исследования по химическому мутагенезу были начаты мной на дрозофиле приблизительно 30-35 лет назад, чему предшествовало обширное экспериментальное исследование механизма ненаследственной изменчивости, вызываемой химическими веществами. Оно позволило исключить всю неорганическую химию и известную часть органических соединений из сферы поиска возможных сильных химических мутагенов. Внедрение последних в селекцию сельскохозяйственных культур началось с 1946 г. К сожалению, селекционные эксперименты того времени были прерваны в 1948 г. и возобновлены лишь 10-12 лет назад.

Химический мутагенез основан на глубоком проникновении специфических агентов в организм и влиянии их на структуру генов – единиц наследственной организации. Он является одним из новых методов селекции. Семена, пыльца, черенки, клубни обрабатываются химическими мутагенами, вызывающими полезные и ранее неизвестные наследственные изменения, которые проявляются сначала главным образом во втором поколении. Растения с такими признаками могут быть использованы в качестве исходного материала в селекционной работе при создании новых или совершенствовании существующих сортов сельскохозяйственных культур. К ценным признакам относятся, в частности, повышение урожайности, улучшение качества зерна и других продуктов, устойчивость растений к полеганию, болезням и вредителям.

Слово "мутация" восходит к понятию изменения, перемены и означает резкое уклонение или новообразование наблюдаемых признаков и физиологических свойств организма под влиянием изменения структуры гена. Мутагенез, таким образом, есть возникновение нового признака под влиянием мутагенного фактора. В нашем случае мутагенными факторами служат в целом редкие химические соединения, под действием которых организмы приобретают новые признаки и качества. Изменившийся организм называют мутантом.

В результате использования мутантов за последние 10 лет селекционные учреждения страны, занимающиеся химической мутагенной селекцией, создали огромный фонд новых селекционных линий и форм зерновых, технических и других культур, отличающихся рядом ценных биологических свойств. Они служат исходным материалом для селекционеров. Работа над группой перспективных мутантов позволила к 1977 г. создать примерно 65 новых сортов в нашей стране и 40-45 в странах, научные учреждения которых сотрудничают с Институтом химической физики.

Вопрос. Что же это за химические соединения, которые влияют таким чудодейственным образом на растения?

Ответ. Соединения, обладающие мутагенным действием, известны в разных разделах химии. Однако активность большинства из них очень низка или сопровождается нежелательными хромосомными перестройками. По широте и силе воздействия на наследственные качества особое положение занимают нитрозосоединения - такие, как N-нитрозоалкилмочевины, нитрозоарилмочевины, N-нитрозоамиды, N-нитрозоалкилуретаны, нитрозоамины и др. Нитрозосоединения обладают большим сродством к наследственном субстрату, вступают в непосредственное взаимодействие с нуклеиновыми кислотами, а также с генными белками, и относятся к числу выдающихся селекционно значимых агентов. Первый представитель этой группы был описан мной в 1948 г.

К таким же выдающимся мутагенным химическим соединениям относятся этиленимин, окись этилена, д нал кил сульфаты, некоторые фосфоросодержащие вещества.

1,4-бис-диазоацетилбутан (ДАВ) представляет замечательную в другом отношении группу веществ, которые совсем не вызывают хромосомных перестроек, в то время как даже природные спонтанные (самопроизвольные) мутации дают их с частотой до 30-40%. Эта группа мутагенов избирательно взаимодействует с генными белками. При воздействии мутагенов на многие культуры возникает от 30 до 100% мутантных семей. Ведутся постоянно поиски новых эффективных мутагенов.

Вопрос. Что служит объектом обработки мутагенами и как она осуществляется?

Ответ. Преимущественно они воздействуют на семена, иногда на пыльцу, на клубни, черенки с почками и т.д.

Оптимальные дозы мутагенов определяются в предварительных и затем в более широких последующих опытах, но они оказались, как правило, близкими к исходным эффективным для дрозофилы. Обработка проводится в водных растворах, в последнее время частично с добавкой органических растворителей, и в газовой фазе мутагенного продукта (в эксикаторе). Пыльцу обрабатывают в газовой фазе с последующим опылением. Черенки и клубни обрабатываются в мутагенных растворах и в газовой фазе. Семена обязательно обрабатываются без предварительного замачивания, сухие.

Все эти виды воздействия вызывают появление новых признаков и свойств. Уже в первом поколении удается получить до 10-15% растений с гомозиготными (однородными) по мутациям семенами, что составляет важное фундаментальное достижение химического мутагенеза в генетике. Причина появления гомозигот в первом поколении вызвана оригинальным механизмом химической мутагенной атаки.

Вопрос. Какие сорта сельскохозяйственных культур уже получены этим методом и чем они примечательны?

Ответ. В 1976 г. в государственном испытании находилось более 43 сортов, созданных селекционерами с использованием метода химического мутагенеза. После совещания по химическому мутагенезу в начале 1977 г. получены сообщения еще о 20 новых сортах, переданных на рассмотрение государственной комиссии по сортоиспытанию. Среди них теперь есть 12 сортов пшеницы (Кишиневская 102, Полукарликовая 49, Сибирская Ульяновская; сорт озимой твердой пшеницы, сорт яровой пшеницы (Мутант-1); сорт риса Малыш; три сорта озимого ячменя (КМ-1 и Призыв); два сорта ярового ячменя (Темп и Факел), сорт твердой пшеницы; сорт ярового овса (Белозерный) и сорта многих других культур.

Три сорта уже районированы к 1976 г. Это - подсолнечник Первенец, овес Зеленый и люпин Горизонт.

По жирнокислотному составу масло семян подсолнечника сорта Первенец, автором которого является К.И. Солдатов, приближается к оливковому, содержащему 70-80% олеиновой кислоты. Особенности жирнокислотного состава делают масло стойким и к окислению при хранении и термической обработке. Подобный сорт подсолнечника создан впервые в мире. Сбор высокоолеинового масла составил в 1975 г. 1592 кг с га, а олеинового компонента масла - 1149, или на 621 кг с га больше, чем у распространенного сорта Передовик улучшенный. В то же время новый сорт сохранил витамины, характерные для подсолнечника. В качестве мутагена при выделении этого сорта применяли диметилсульфат, которым обрабатывали семена. Учитывая повышенное содержание в масле ценной олеиновой кислоты (75-80% против 25-30% у других районированных сортов), сорт Первенец, выведенный ВНИИЭМК в Краснодаре при участии ИХФ АН СССР, районирован в Краснодарском крае.

У подсолнечника в созданном селекционном материале химические мутагены вызвали низкорослость, изменение лужистости семян и повышение содержания масла до 68% (контроль - 66%). Корзинки стали крупными и более продуктивными, повысилась устойчивость к распространенному заболеванию - ложной мучнистой росе.

Сорт укосного овса Зеленый селекции Краснодарского НИИСХа создан в результате обработки семян 0,025%-ным раствором этиленимина. Во время государственного испытания в 1973-1975 гг. на ряде сортоучастков он превышал стандартные сорта по урожаю зеленой массы на 25-75 ц с га, вегетационный период его продолжительнее, чем у стандартного на 20-30 суток. В 1975 г. по 14 областям сорт Зеленый дал прибавку урожая в среднем на 40%. Этот сорт районирован в Ростовской, Горьковской, Кировской, Рязанской обл. и Марийской АССР.

Сорт люпина Горизонт создан в Украинском НИИ земледелия с помощью обработки семян этиленимином. Ценен повышенной продуктивностью, высоким содержанием белка и крайне низким содержанием алкалоидов.

Среди мутагенных сортов разных культур, находящихся в сортоиспытании и районированных, на первом месте стоят зерновые; на втором - технические культуры, на третьем - бобовые, на четвертом -овощные и плодовые.

Из новых сортов пшеницы выделяется Полукарликовая 49, созданная селекционером А.Ф. Жогиным. В Сибири получен продуктивный морозостойкий сорт озимой пшеницы Сибирская Ульяновская, в Одессе селекционером В.М. Пыльневым выведен сорт продуктивной твердой пшеницы.

Институт химической физики сдал в предварительное испытание пять сортов озимой пшеницы с простым и комплексным иммунитетом (устойчивостью ко многим болезням и повышением урожайности на 4-10%).

Замечательные сорта ячменя, один из которых районирован в 1977 г., выведен селекционером В.М. Шевцовым.

У гороха выявлены раннеспелые урожайные формы с компактным расположением бобов, устойчивые к полеганию и болезням.

Среди томатов также имеются раннеспелые урожайные формы с повышенным содержанием сухих веществ, дружным созреванием, низкорослые, с компактным расположением кустов. Последний признак очень важен при механизированной обработке и уборке. У огурцов с помощью мутагенов усиливается зеленая окраска, кожица становится более сочной и нежной, укорачиваются плети. Огурцы начинают раньше созревать. В 1976 г. получен сорт огурцов Алтайский с повышением урожайности на 96 ц с га. Листья мутантного салата приобретают более гофрированную форму и дольше вегетируют, что позволяет и дальше использовать их.

Получены два сорта сахарной свеклы с повышенной сахаристостью - на 0,6-0,9% по сравнению с обычными сортами. На выходе – еще более сахаристые мутанты.

Выведено семь сортов хлопчатника, три из них создал таджикский селекционер Р.К. Кадыров, два сорта сои. Семь ценных сортов табака получили Ю.Ф. Сарычев и В.Н. Диленко на Крымской опытной станции с соавторами. Восемь сортов безалкалоидного люпина вывел В.И. Головченко с сотрудниками.

Если умело распорядиться полученным селекционным материалом, он позволит создать новые сорта, которые будут превосходить существующие по важнейшим параметрам. Эти возможности могут быть реализованы в ближайшие 5-10 лет. Конечно, не все мутагенные сорта будут районированы, но и они сыграют свою роль в ускорении сортосмены, так как послужат ценным исходным материалом при создании новых сортов путем гибридизации.

Вопрос. Каковы преимущества химической мутагенной селекции перед другими селекционными методами?

Ответ. Известно, что в селекции существуют методы внутривидовой, межвидовой и более отдаленной гибридизации, гетерозиса, инбридинга (близкородственного разведения в пределах популяции, созданной обычно скрещиванием) и отбора спонтанных мутаций из гетерозиготного (неоднородного материала). Генетиками предложен метод полиплоидии, в некоторых случаях дающий положительные результаты. Этим способом, например, получили триплоидную сахарную свеклу. Иногда применяются индуцированные хромосомные перестройки для переноса, например, участков хромосом с генами иммунитета к фитопатогенам от одного вида, обычно дикого, к другому - культурному. Но этот метод очень трудоемок и за длительный промежуток времени практически был применен всего несколько раз.

Использование же химических мутагенов - гораздо менее трудоемко. При химическом мутагенезе возникновение желательных признаков наблюдалось всеми без исключения селекционерами, сотрудничающими с ИХФ.

Помимо получения с помощью химического мутагенеза новых форм этот метод усиливает эффективность других методов селекции.

Так, обработка химическими мутагенами создаст желательные гибриды растений гораздо быстрее и лучше, чем обычные скрещивания. Молдавский селекционер проф. В.Д. Симинела в течение 17 лет безуспешно пытался сочетать устойчивость пшеницы к стеблевой ржавчине с другими полезными признаками путем гибридизации. Однако достаточно было ему обработать гибриды первого и второго поколения мутагенами, чтобы проявились искомые устойчивые гибриды.

Положительные результаты достигаются чаще, когда используют химический мутагенез при близкородственном разведении (инбридинге), хотя удельный вес его в общем селекционном процессе сравнительно невелик. С помощью инбридинга, в частности, был выведен селекционером Е.Д. Гориной (в Белоруссии) сорт гречихи Черноплодная. Вообще продолжительность селекции при использовании химических мутагенов сокращается в 1,5-2 раза. Ряд сортов был получен - от обработки до сдачи в госкомиссию по сортоиспытанию - за шесть лет.

Вопрос. Ваши работы доказывают, что химические мутагены способны реализовать скрытые ресурсы продуктивности и сообщать новые свойства практически всем сортам. Это почти сказочное всесилие. В чем его секрет?

Ответ. В генетическом материале всех культурных растений есть крупные еще неиспользованные - из-за редкости спонтанных мутаций большинства генов - ресурсы. Химические мутагены часто индуцируют наследованные изменения. В результате положительных мутаций часть биологических структур становится более производительной. Возникают изредка и новые гены, дающие растению соответственно новые признаки. Если они оказываются полезными, селекционеры широко их применяют.

Вот несколько примеров совершенно новых мутантных сортов и признаков. Селекционеры И.Ф. Катуна и B.C. Семен впервые получили в Молдавском институте плодоводства, виноградарства и виноделия мутанты европейского винограда, устойчивые к филлоксере. А в 1977 г. селекционер Киреева с соавторами в Крыму тоже создала сорт винограда, устойчивый к филлоксере. Селекционеры В.Н. Фурсов и С.П. Конопля из Туркмении впервые получили новый мутантный сорт хлопчатника с длинным тонким волокном из средневолокнистого исходного материала. Селекционер В.В. Глуховцев вывел на Кинельской опытной станции три сорта остистого ячменя, сбрасывающего ости после созревания. В Кишиневском СХИ О.В. Бляндур и В.Н. Лысиковым были получены под влиянием одного из мутагенов линии кукурузы, которые хорошо инбридируются в течение многих лет и совершенствуются при последующих мутагенных воздействиях без потери этого свойства, хотя кукуруза - перекрестноопыляемое растение.

Свойство химических мутагенов - вступать в прямое взаимодействие с основными генными силами - отличает их от действия физического фактора - радиации, которая не задевает собственно генный материал, а лишь валентные связи внутри него. О важности этого различия можно судить по тому, что практически лишь химические мутагены вызывают в первом поколении обработанных растений гомозиготность (однородность) семян мутантов, а во втором поколении все растения мутантной семьи однородны. Обычно это удается лишь в третьем поколении. При повторной обработке скапливаются желательные признаки за счет нескольких последовательных мутаций, и направление отбора можно круто изменить.

Преимущество химических мутагенов перед радиацией заключается еще и в том, что обнаружены химические мутагенные средства, способные проникнуть в очень чувствительные и стройные системы генного материала и не вызвать при этом перемены разрушения на хромосомном уровне.

Однако химический мутагенез не обещает направленного воздействия, несмотря на определенную чистоту избирательных мутаций у всех химических мутагенов. Наряду с избирательностью мутагенного эффекта всегда необходимо широкое общее разнообразие спектра мутаций, так как запросы организма и продуктивности еще более широки.

Вопрос. Как влияют химические мутагены на качество растений и не вредна ли обработка ими растений для человека?

Ответ. В растениях повышается содержание белков и улучшается их состав за счет возрастания роли незаменимых аминокислот. Повышается сахаристость, масличность и т.п. Выяснено, что химические мутагены вызывают гораздо чаще физиологические изменения внутренних свойств растений, чем морфологические, чисто внешние перемены, хотя и в них нет недостатка. С помощью физиологических механизмов обеспечиваются такие важные признаки, как иммунитет к заболеваниям, вызываемым грибами, актиномицетами, бактериями и вирусами. Физиологические механизмы повышают сопротивляемость и к вредным насекомым, определяют скороспелость, одновременное созревание и многие другие качественные характеристики сортов, вызывая порой радикальные перевороты.

Точно установлено, что обработанные семена быстро теряют поглощенные мутагены сразу после посева или раньше. Это происходит как из-за высокой реакционноспособности химических мутагенов, так и из-за нестойкости их в большинстве случаев при температуре выше нулевой. Нет остатков мутагенов ни в растениях в период ранней вегетации, ни в собранном урожае. Обработка мутагенами проводится строго по инструкции, которая обеспечивает безвредность этих веществ.

Вопрос. Наша страна весьма разнообразна по почвенно-климатическим условиям. Сорта же сельскохозяйственных культур обычно выводят для определенной зоны. Сохраняют ли полученные химические мутанты в различных климатических зонах страны свои признаки?

Ответ. Как правило, все сорта выводятся для определенной зоны и в ней же районируются. Химические мутанты в этом отношении не отличаются от сортов, полученных другими селекционными методами. Однако есть основания полагать, что в случае возникновения крупных положительных признаков посевные площади под новыми сортами можно значительно расширить. Так, например, сорт овса Зеленый, выведенный на Кубани, распространился в очень удаленные от нее почвенно-климатические зоны. Другие сорта занимают более ограниченные пространства. В настоящее время с успехом проводятся экологические испытания группы мутантов с признаками иммунитета.

Вопрос. Говоря о преимуществах нового метода, Вы обычно подчеркиваете оздоровление условий сельскохозяйственного труда при использовании химических мутагенов. О чем здесь идет речь?

Ответ. У вновь созданных с помощью химических мутагенов сортов возникает иммунитет к болезням и частично к вредителям растений. Это позволяет надеяться, что с помощью мутаций, привносящих свойства иммунитета и устойчивости, можно будет освободить сельское хозяйство от подавляющего большинства пестицидов, которые пока повсеместно используются. К сожалению, длительное пренебрежение генетикой заставило предпочесть пестицидную защиту вместо безвредных генетических методов. Получив устойчивые к вредителям и болезням сорта, мы резко сократим обработку посевов ядохимикатами, а в недалеком будущем вовсе от них откажемся. Конечно, условия работы в сельском хозяйстве от этого улучшатся.

Вопрос. И последнее: каковы планы Вашего Отдела на ближайшее будущее, каких результатов можно ожидать от исследований по химическому мутагенезу?

Ответ. Наиболее актуальной задачей сейчас является получение высокопродуктивных сортов с комплексным иммунитетом, т.е. с устойчивостью не только к фитопатогенным заболеваниям, но и к ряду вредных насекомых.

Желательно также создать централизованные коллекции мутантного материала определенного типа, который может послужить резервом в борьбе с вредом, наносимым стихийными бедствиями, болезнями, засухами, морозами.

Другая совершенно неотложная задача заключается в том, чтобы помочь всем селекционерам, получившим сорта с ценными и оригинальны-

ми новыми признаками, расширить масштабы их работы. Это позволит наряду с созданием новых интенсивных мутантных сортов скрестить уже полученные ими сорта с 10-12 лучшими сортами той же культуры.

Так мутантные признаки станут принадлежностью разных сортов, и дополнительно выявятся некоторые пока еще не отмеченные неизвестные раньше полезные признаки в мутантных сортах.

И конечно, осуществляемая сейчас перестройка селекционной системы ни в коем случае не должна затронуть коллективы, занимающиеся мутационной химической селекцией, а до ИХФ дошло много таких сигналов. Не должны от перестройки пострадать и другие накопленные селекцией богатства исходного материала.

И.А. Рапопорт