СОДЕРЖАНИЕ
Введение ------------------------------------------------------------------------ 2
Связь фотосинтеза с продуктивностью ---------------------------------- 7
Методы и достижения селекции на продуктивность ---------------- 16
Методы моделирования в селекции на продуктивность ------------ 25
Заключение ------------------------------------------------------------------- 27
Библиографический список ----------------------------------------------- 30
ВВЕДЕНИЕ
С ростом человеческой популяции (по прогнозу она в 2025 г. составит 8 млрд. человек) основной проблемой общества станет обеспечение населения Земли продовольствием (Сакмак, 2003). В соответствии с расчетами количество производимых продуктов питания в следующие два десятилетия должно удвоится. В связи с тем, что площадь пахотно-пригодных земель ограничена, приоритетными направлениями исследований остаются вопросы повышения продуктивности культур. Особую актуальность исследованиям придает существующая в настоящее время тенденция к снижению урожайности сельскохозяйственных культур в мире. Наиболее мощным рычагом увеличения урожаев, по словам докладчика, является улучшение питания растений. Повышение продуктивности сельскохозяйственных культур за последние сорок лет было достигнуто за счет увеличения использования азотных удобрений в 6.9 раза, фосфорных – в 3.5 и только в 1.1 раза за счет роста посевных площадей. Как показывают расчеты, использование удобрений к 2030 г. должно увеличится до 200 млн. т, тогда как в 1993 г. оно составляло 183 млн. т. Чрезмерное применение удобрений в свою очередь приведет к возрастанию нагрузки на окружающую среду. Для предотвращения экологической катастрофы необходимо решение ряда экономических и биологических проблем, таких как повышение эффективности использования удобрений, увеличение фиксации азота бобовыми культурами, применение органических удобрений. Усиливается роль микроэлементов, которые, увеличивая устойчивость растений к стрессовым ситуациям, повышают их продуктивность и качество продукции. Возрастает роль молекулярной биологии в отборе генотипов растений с более эффективным использованием элементов питания, более устойчивых к неблагоприятным почвенным условиям (кислотность, засоление). Уже в настоящее время получены клоны растений, которые способны произрастать в условиях дефицита отдельных элементов, преодолевать токсичность алюминия и тяжелых металлов. Важным в перспективе является получение генотипов зерновых культур, имеющих возможности к фиксации азота из воздуха.
Продуктивность растения у зерновых колосовых культур представляет произведение числа продуктивных стеблей, среднего числа зерен в одном колосе и массы одного зерна. Урожайность сорта – популяции – определяется произведением продуктивности и числа растений.
Сумма и взаимодействие одновременно протекающих физиологических, биохимических, биофизических и других процессов метаболизма, обеспечивающих формирование хозяйственно ценных органов и продуктов вторичного обмена путем оптимизации и координации этих процессов на основе генетического контроля и донорно-акцепторных отношений, составляет суть продукционного процесса у растений.
С позиций системного подхода растительный организм представляет собой открытую, неравновесную, саморегулирующуюся и саморазвивающуюся систему, способную к самовоспроизведению. Его целостность обеспечивается системами регуляции и интеграции. Важнейшими из них являются генетическая, гормональная, метаболическая, мембранная, трофическая и электрофизиологическая. Усиливая или ослабляя рост, развитие и другие процессы, эти системы во взаимодействии с факторами внешней среды и приемами агротехники (почвенно-климатические условия, обработка почвы, удобрения, орошение, способы использования культуры, фиторегуляторы, физические факторы и т. д.) определяют тип морфогенеза, структуру, продуктивность, качество и адаптацию растений.
Знание теории процессов формирования урожая дает возможность управлять ими и, в конечном счете, оптимизировать.
С теоретической точки зрения оптимизация формирования урожая — это познание с позиций системного подхода наиболее глубоких, внутренних связей в организме для выявления закономерностей фотосинтетической деятельности, роста и развития растений во взаимодействии с условиями выращивания. В практическом плане оптимизация формирования урожая — оптимальное обоснование и разработка методов и технологий, позволяющих эффективно использовать ограниченные, как правило, генетические, почвенно-климатические, материальные и другие ресурсы на основе моделирования.
На продуктивность растений влияют такие показатели, как фотосинтетическая продуктивность, соотношение между фотосинтезом и расходом веществ при дыхании.
Для роста продуктивности необходимо, прежде всего, селекционными методами улучшать признаки растений, разрабатывать и применять технологические приемы их выращивания, обеспечивающие повышение использования световой энергии в процессе фотосинтеза.
ДИНАМИКА РОСТА УРОЖАЙНОСТИ В МИРЕ
В 50—60-е годы прошлого столетия достижения биологической и сельскохозяйственной науки обеспечили в экономически развитых странах увеличение урожайности зерновых культур в 2—3 раза и более. При этом в среднем, треть прироста урожайности была получена за счет внедрения короткостебельных сортов, повышения устойчивости растений к болезням и вредителям, отзывчивости на факторы интенсификации земледелия (Касаева, Ковалев, 1989).
В развивающихся странах (Индия, Мексика) быстрый рост в 60—70-х годах урожайности зерновых связывают с сортосменой. В экономически развитых странах, где темпы роста урожайности в этот период были не менее значительными, а абсолютные приросты — намного выше (табл. 1), ведущая роль в увеличении производства зерна отводилась интенсификации земледелия, которая требовала создания более отзывчивых на данные факторы сортов. Так, в ФРГ, в период с 1952 по 1975 год ежегодный прирост урожайности озимой пшеницы составил 92 кг/га, в том числе 62% обусловило совершенствование технологии и 38% — внедрение новых сортов: яровой пшеницы — соответственно 82 кг/га, 68 и 32%; озимого ячменя — 93 кг/га, 81 и 19%; ярового ячменя — 59 кг/га, 49 и 51%; овса — 58 кг/га, 59 и 41%; кукурузы на зерно — 196 кг/га, 66 и 34%; озимой ржи — 62 кг/га. 13 и 87% (Шевелуха, 1998).
Таблица 1. Среднегодовые приросты урожайности зерновых культур в мире и некоторых зернопроизводящих странах с 1948 по 1988 гг.
(по данным ФАО)
| Страна | 1948/52— 1961/65 | 1961/65— 1967/69 | 1967/69— 1973/75 | 1973/75— 1979/81 | 1979/81— 1986/88 | |||||
| ц/га | % | ц/га | % | ц/га | % | ц/га | % | ц/га | % | |
| Мир — всего | 0,29 | 2,5 | 0,40 | 3,3 | 0,33 | 2,3 | 0,53 | 3,2 | 0,50 | 2,3 |
| СССР* | 0,19 | 2,4 | 0,59 | 5,8 | 0,25 | 1,9 | -0,12 | -0,8 | 0,55 | 4,0 |
| Великобритания | 0,85 | 3,1 | 0,14 | 0,5 | 0,73 | 2,3 | 1,07 | 3,2 | 1,23 | 2,6 |
| Канада | 0,16 | 1,3 | 0,40 | 3,1 | 0,27 | 1,1 | 0,47 | 2,8 | 0,11 | 0,5 |
| США | 0,81 | 4,0 | 0,76 | 3,3 | 0,40 | 1,6 | 1,33 | 4,3 | 0,36 | 0,8 |
| Франция | 0,85 | 4,3 | 1,58 | 6,5 | 0,93 | 3,0 | 0,93 | 2,6 | 1,41 | 3,0 |
| ФРГ | 0,49 | 2,1 | 1,40 | 5,4 | 0,68 | 2,1 | 0,55 | 1,6 | 1,36 | 3,1 |
По данным Национального института агроботаники Великобритании, до 1957 года основную роль в росте урожайности зерновых в стране играли гербициды и удобрения, в последующее десятилетие—повышение норм азота при возделывании новых, устойчивых к полеганию сортов, после 1967 года — сортосмена. Удельный вес селекции в приросте урожайности пшеницы по этим периодам составлял соответственно 38, 42 и 60%.
В США наиболее резкое повышение продуктивности зерновых наблюдалось в 50—70-е годы в результате изменения структуры посевов в пользу более урожайных культур, сортосмены, использования лучших семян, широкого применения удобрений, пестицидов и орошения, совершенствования сельскохозяйственной техники.
В бывшем СССР наибольшие среднегодовые приросты урожайности зерновых культур наблюдались в 60-х и 80-х гг., соответственно, 0,59 и 0,55 ц/га (табл. 1). В 60-х и примерно до середины 70-х годов прогресс в селекции зерновых соответствовал возросшему уровню интенсификации и культуры земледелия. С появлением сортов полуинтенсивного типа — пшеницы Мироновская 808, Безостая 1, ячменя Московский 121, ржи Восход 1 и Восход 2 и других существенно возросли в стране урожайность и валовые сборы зерна.
Однако в дальнейшем это равновесие было нарушено. Быстрые успехи селекции в создании высокопродуктивных короткостебельных сортов интенсивного типа, требовавших высокого агрофона и дифференцированной агротехники, максимально точного учета биологии сорта и растений, не сопровождались соответствующим прогрессом земледелия в производственных условиях. В результате сорта, обеспечивающие весомые прибавки урожая в условиях высокой культуры земледелия на этапах их создания и сортоиспытания, в производстве резко снизили урожайность. С другой стороны, адаптивные свойства интенсивных сортов часто не отвечали экологическим условиям возделывания. Например, повсеместная замена в конце 70-х — начале 80-х годов в Нечерноземной зоне России сорта ячменя Московский 121 на высокопродуктивные, более устойчивые к полеганию сорта зарубежной селекции (Надя, Эльгина, Дворан и др.) на 80% площадей посева не дали должной отдачи из-за несоответствия культуры поля требованиям этих сортов и их биологии в более экстремальных условиях Нечерноземья (Жученко, 2003).