Как сделать знаменитую русскую крупу высокоурожайной и стойкой

Ученые Федерального научного центра зернобобовых и крупяных культур (ФНЦ ЗБК) создали первый в России сорт татарской гречихи. Скоро на столе у россиян появится уникальная по полезности гречневая каша.

Алексей Фесенко, доктор биологических наук, заведующий лаб. селекции крупяных культур; Иван Фесенко, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаб. селекции крупяных культур. ФГБНУ ФНЦ зернобобовых и крупяных культур, г. Орел

Гречневая крупа — традиционный продукт не только для жителей России. В готовой гречке много антиоксидантов, пищевых волокон, витаминов (особенно рутина) и микроэлементов, она полезна для диабетиков и больных целиакией, она экологически безупречна (на посевах гречихи практически не применяются пестициды). С доисторических времен гречка входит в рацион славянских народов и жителей Китая, Японии, Южной Кореи и других азиатских государств. Получила она распространение и в Италии, где называется «сарацинским зерном».

Высокая нектаропродуктивность гречихи обеспечивает не только сбор 70–100 кг меда с гектара, но и делает гречиху резерватом энтомофауны — в ее посевах поддерживается более 90 видов полезных насекомых.

Но с производством гречки у нас в стране долгое время было непросто. Люди старшего поколения хорошо помнят, как трудно было достать гречку. Изобилие этой крупы на прилавках — в решающей мере заслуга российских селекционеров. Лучше всего это видно при сравнении урожайности основных зерновых культур в начале ХХ века и в последние годы (рис. 1): урожайность гречихи выросла в 2,5 раза, в такой же степени, как урожайность ржи, овса, ячменя и яровой пшеницы. Но в отличие от других культур, практически весь прирост урожайности гречихи был получен в последние 20 лет. На протяжении советского периода и до 2000 года средняя (по десятилетиям) урожайность гречихи оставалась на уровне 0,5 т/га. Подъем урожайности обусловлен широким распространением в производстве совершенно новых (детерминантных, то есть с морфологически ограниченным ростом) сортов гречихи.

Чтобы совершить такой резкий подъем урожайности, селекция гречихи должна была пройти долгий и непростой путь, началом которого считается создание отбором из местных сортов гречихи первого в стране селекционного сорта «Богатырь», районированного в 1938 году.

Тетраплоидная защита

Отбор наиболее урожайных местных (созданных «народной» селекцией на протяжении десятилетий) сортов стал первым этапом селекции гречихи, как и других культур. Но для гречихи этот этап слишком затянулся: местные сорта и сорта, созданные отбором из местных популяций, занимали значительную долю в сортименте гречихи до 1970-х годов.

Такое отставание от зерновых колосовых культур было неслучайным. Гречиха — перекрестноопыляющееся растение, требующее для образования семян переноса пыльцы насекомыми (прежде всего пчелами) с одного растения на другое. Насаждавшиеся в середине ХХ века в нашей стране взгляды о пользе свободного переопыления требовали вести отбор при посеве образцов гречихи рядом друг с другом. Эффективность такого отбора была крайне низкой из-за быстрого исчезновения его результатов. Отсутствовала методика изоляции образцов от взаимного переопыления.

Революционное значение имел метод тетраплоидной изоляции. Его разработали академик Энгель Неттевич и доктор сельскохозяйственных наук Николай Фесенко. Метод основан на обсеве селекционных диплоидных образцов тетраплоидным (то есть с удвоенным набором хромосом) и обеспечивает возможность проведения селекции с большим размахом. Но интенсивное развертывание селекционной работы с гречихой, а она велась в СССР в 26 научных учреждениях, не сопровождалось ростом урожайности этой культуры.

Чем выше, тем хуже

Теоретической основой для преодоления кризиса в селекции стало изучение особенностей защитно-приспособительного комплекса гречихи. Родина гречихи — субтропические районы Южного Китая. Изобилие тепла и влаги, весьма плодородная почва создавали благоприятные условия для роста растений, поэтому выживание в конкуренции с другими видами определялось способностью конкурировать за свет, то есть расти быстрее остальных.

Именно поэтому ключевая особенность гречихи — способность к длительному росту побегов. Но когда все ресурсы растения направлены в первую очередь на рост, а их «бюджет» ограничен, это наносит ущерб формированию семян и часто приводит к их отмиранию. Способность гречихи к производству потомства в таких условиях обеспечивается за счет выраженной ремонтантности — способности к закладке неограниченного числа соцветий и, соответственно, избыточного числа цветков.

В условиях примитивного земледелия эта способность интенсивно расти и успешно конкурировать с сорной растительностью обеспечила широкое распространение гречихи — вплоть до Карелии и Архангельской области. Но та же способность стала сдерживающим фактором для урожайности этой культуры, несмотря на достижения в агротехнике. На высоких агрофонах, то есть при хорошей подготовке почвы к урожаю, посевы гречихи перерастали и полегали. Именно поэтому средняя урожайность гречихи в России на долгие десятилетия застыла на примерно одном уровне — 0,5 т/га.

Практиковавшийся в селекции отбор наиболее плодовитых растений традиционного морфотипа (с неограниченным ростом) сохранял высокий ростовой потенциал и низкий гомеостаз плодообразования. Стало ясно, что для достижения прогресса в селекции необходимы сорта с морфологически детерминированным ростом. Селекционеры пришли также к выводу, что исходный материал для создания таких сортов может дать только мутационная селекция.

Как расти вширь, а не вверх

Первыми в селекционный процесс были успешно вовлечены мутация ограниченного вторичного ветвления (lsb), вызывающая сокращение числа вегетативных узлов на верхней ветви с 2–3 (у сортов традиционного типа) до 0–1, и мутация детерминантного (ограниченного) типа роста побегов (det). Российским селекционерам принадлежит мировой приоритет в создании детерминантных сортов гречихи на основе мутации det, ограничивающей развитие побегов 2–5 соцветиями (8–12 — у сортов традиционного типа).

Рост урожайности таких сортов связан с тем, что мутация det не только ограничивает рост растений в высоту (что повышает отзывчивость таких сортов на удобрения), но и уменьшает число соцветий (и цветков) на растениях, что ведет к сокращению периода их цветения и семяобразования.

Это позволяет создавать сорта с более высоким потенциалом продуктивности при сохранении продолжительности вегетационного периода, характерного для среднеспелых сортов. Повышенный морфологический потенциал продуктивности (число вегетативных узлов на стебле и ветвях первого порядка) обеспечивает более высокий уровень урожайности этих сортов.

Неосыпающаяся гречиха

В производственной практике далеко не всегда удается вовремя убрать посевы гречихи, что приводит к потерям от осыпания зерна, особенно в ветреную погоду. Причина в том, что каждое гречишное семя прикрепляется к растению плодоножкой, имеющей предел прочности к постоянным деформациям на изгиб.

Для создания сортов, устойчивых к осыпанию зерна, была использована мутация green corolla (gc), вызывающая формирование цветков с зелеными, иногда листообразными лепестками. Цветки этой формы отличаются формированием очень толстых и прочных плодоножек, однако изначально они обладали весьма низкой фертильностью (способностью образовывать семена).

Селекционерам потребовалось несколько десятилетий, чтобы повысить продуктивность зеленоцветковых растений, и теперь в России районирован первый в мире детерминантный зеленоцветковый сорт «Дизайн», созданный с использованием мутации gc.

Устойчивая к засухе и дождям

Сложной проблемой остается нестабильность производства гречихи в стране. Дважды за последнее десятилетие мы были свидетелями ажиотажного роста цен на гречневую крупу: в 2010 году — из-за жестокой засухи в ряде областей, в 2014 году — из-за продолжительных рано начавшихся осенних дождей в Алтайском крае, не позволивших убрать посевы гречихи.

Капризы погоды усугубляются растущей концентрацией посевов гречихи в отдельных областях России. В том же Алтайском крае в последние годы выращивается почти половина всей российской гречихи. Локальные погодные катаклизмы в одном из регионов могут отразиться на валовых сборах гречихи во всей стране, что и случилось в 2014 году.

Поскольку у гречихи отсутствуют физиологические механизмы устойчивости к засухе, стратегия ее адаптации основана на «улавливании» благоприятных погодных условий. Одним из основных подходов к повышению стабильности производства стало создание эшелонированной системы сортов, различающихся по продолжительности вегетационного периода (от скороспелых до относительно позднеспелых).

Первыми детерминантными сортами с укороченным вегетационным периодом стали сорта «Диалог» и «Темп». Новые перспективы создания скороспелых и ультраскороспелых сортов открылись благодаря выделению и использованию в селекции мутации determinate floret cluster, вызывающей значительное (в несколько раз) сокращение числа цветков на растении и, соответственно, существенное уменьшение продолжительности вегетации растений гречихи. Создание скороспелых сортов, способных «уходить» от засухи (в силу их меньшей потребности в воде), обеспечивает стабилизацию урожайности в годы с дефицитом влаги.

Китайская татарка

Селекционеры не ограничиваются только работой с обычной («культурной», съедобной, посевной) гречихой (Fagopyrum esculentum). Объектом их интересов остается также гречиха татарская (Fagopyrum tataricum), которую часто называют видом-сорняком, что неверно. Этот вид введен в культуру и широко возделывается в Китае, занимает до 40% площади посевов гречихи.

Ценность этого вида заключается прежде всего в чрезвычайно высоком (на два порядка выше, чем у обычной гречихи) содержании в зерне рутина. Это природное вещество относится к группе витаминов Р и понижает проницаемость и ломкость кровеносных капилляров, возникающих при разных недугах: от ревматизма до лучевой болезни.

До недавнего времени использование этого вида гречихи в России сдерживалось отсутствием сортов, пригодных для изготовления крупы: плодовая оболочка зерен татарской гречихи слишком плотно прирастает к ядру. Китайцы решают проблему просто — они размалывают зерно татарской гречихи целиком и используют получившуюся муку.

Селекционерами найдена мутантная форма, которая легко обрушивается (то есть плодовая оболочка легко отделяется от ядра), и на ее основе в России созданы перспективные сорта, поэтому в обозримом будущем на прилавках можно будет увидеть не просто крупу, но и источник ценного витамина.