Селекция растений началась с оседлого земледелия , в частности, с одомашнивания первых сельскохозяйственных растений, практика, которая, как оценивается, датируется 9000–11000 лет назад. Первоначально ранние земледельцы-люди выбирали пищевые растения с определенными желаемыми характеристиками и использовали их в качестве источника семян для последующих поколений, что приводило к накоплению характеристик с течением времени. Однако со временем начались эксперименты с преднамеренной гибридизацией, наука и понимание которой были значительно улучшены работой Грегора Менделя . Работа Менделя в конечном итоге привела к новой науке генетике . Современная селекция растений — это прикладная генетика, но ее научная основа шире, охватывая молекулярную биологию , цитологию , систематику , физиологию , патологию , энтомологию , химию и статистику ( биометрию ). Она также разработала свою собственную технологию. Усилия по селекции растений делятся на ряд различных исторических вех.
Одомашнивание растений — это процесс искусственного отбора, проводимый людьми для получения растений, которые обладают более желательными признаками, чем дикие растения, и который делает их зависимыми от искусственных, обычно улучшенных условий для их дальнейшего существования. По оценкам, эта практика насчитывает 9000–11000 лет. Многие культуры, выращиваемые в настоящее время, являются результатом одомашнивания в древние времена, около 5000 лет назад в Старом Свете и 3000 лет назад в Новом Свете . В период неолита одомашнивание заняло минимум 1000 лет и максимум 7000 лет. Сегодня все основные продовольственные культуры происходят от одомашненных сортов. Почти все одомашненные растения, используемые сегодня для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства, были одомашнены в центрах происхождения . В этих центрах по-прежнему существует большое разнообразие близкородственных диких растений, так называемых диких родственников сельскохозяйственных культур , которые также могут быть использованы для улучшения современных сортов путем селекции растений.
Растение, происхождение или селекция которого обусловлены в первую очередь преднамеренной деятельностью человека, называется культигеном , а возделываемый вид сельскохозяйственной культуры , который произошел от диких популяций под селективным давлением традиционных фермеров, называется ландрасом . Ландрасы, которые могут быть результатом природных сил или одомашнивания, — это растения или животные , которые подходят для определенного региона или среды.
В некоторых случаях, например, в случае с рисом , в разных регионах были одомашнены разные подвиды; подвид Oryza sativa indica был одомашнен в Южной Азии , а подвид Oryza sativa japonica был выведен в Китае .
Более подробную информацию о механизмах одомашнивания см. в разделе Гибрид (биология) .
Люди веками торговали полезными растениями из далеких стран, и охотники за растениями отправлялись, чтобы привезти растения для выращивания. Человеческое сельское хозяйство имело два важных результата: растения, наиболее любимые людьми, стали выращиваться во многих местах, и (2) сады и фермы предоставили растениям некоторые возможности для скрещивания, которые были бы невозможны для их диких предков. Прибытие Колумба в Америку в 1492 году вызвало беспрецедентный перенос растительных ресурсов между Европой и Новым Светом .
Томас Фэрчайлд (? 1667 – 10 октября 1729) был английским садоводом, «ведущим питомником своего времени», работавшим в Лондоне. [1] Он переписывался с Карлом Линнеем и помог экспериментально установить существование пола у растений . В 1716–1717 годах (скрещивание было проведено летом 1716 года, новое растение появилось следующей весной) он был первым человеком [ сомнительно – обсудить ], который научным путем создал [ требуется разъяснение ] искусственный гибрид , Dianthus Caryophyllus barbatus , известный как «Мул Фэрчайлда», помесь гвоздики душистой и гвоздики розовой . [2] [3]
Эксперименты Грегора Менделя с гибридизацией растений привели к его законам наследования . Эта работа стала широко известна в 1900-х годах и легла в основу новой науки генетики , которая стимулировала исследования многих ученых-растениеводов, посвященные улучшению производства сельскохозяйственных культур путем селекции растений.
Однако успешные коммерческие концерны по селекции растений начали создаваться с конца 19 века. Gartons Agricultural Plant Breeders в Англии была основана в 1890-х годах Джоном Гартоном, который был одним из первых, кто занимался перекрестным опылением сельскохозяйственных растений и коммерциализировал вновь созданные сорта. Он начал экспериментировать с искусственным перекрестным опылением сначала злаковых растений, затем травянистых видов и корнеплодов и разработал далеко идущие методы в селекции растений. [4] [5] [6]
Уильям Фаррер произвел революцию в выращивании пшеницы в Австралии, широко распространив в 1903 году устойчивый к грибкам штамм пшеницы «Федерация», который был выведен в результате его двадцатилетней селекционной работы с использованием теорий Менделя. [7] [8]
С 1904 года до Второй мировой войны в Италии Назарено Стрампелли создал ряд гибридов пшеницы. Его работа позволила Италии увеличить производство сельскохозяйственных культур во время так называемой « Битвы за зерно » (1925–1940), а некоторые сорта были экспортированы в зарубежные страны, такие как Аргентина, Мексика и Китай. Работа Стрампелли заложила основу для Нормана Борлоуга и Зелёной революции .
В 1908 году Джордж Харрисон Шалл описал гетерозис , также известный как гибридная сила. Гетерозис описывает тенденцию потомства определенного скрещивания превосходить обоих родителей. Обнаружение полезности гетерозиса для селекции растений привело к разработке инбредных линий, которые демонстрируют гетерозисное преимущество урожайности при их скрещивании. Кукуруза была первым видом, где гетерозис широко использовался для получения гибридов.
К 1920-м годам были разработаны статистические методы для анализа действия генов и различения наследуемых вариаций от вариаций, вызванных окружающей средой. В 1933 году Маркус Мортон Роудс описал еще один важный метод селекции, цитоплазматическую мужскую стерильность (ЦМС), разработанную у кукурузы . ЦМС — это материнский наследуемый признак, который заставляет растение производить стерильную пыльцу . Это позволяет производить гибриды без необходимости трудоемкой очистки метелок .
Эти ранние методы селекции привели к значительному повышению урожайности в Соединенных Штатах в начале 20-го века. Подобное повышение урожайности не было получено нигде до тех пор , пока после Второй мировой войны Зеленая революция не увеличила производство сельскохозяйственных культур в развивающихся странах в 1960-х годах. Это замечательное улучшение было основано на трех основных культурах. Сначала было разработано гибридное зерно кукурузы , затем высокоурожайная и отзывчивая на вложения « полукарликовая пшеница » (за которую селекционер CIMMYT Н. Э. Борлоуг получил Нобелевскую премию мира в 1970 году), а третьими были высокоурожайные сорта «низкорослого риса». [9] Аналогичные заметные улучшения были достигнуты и в других культурах, таких как сорго и люцерна .
Интенсивные исследования в области молекулярной генетики привели к разработке технологии рекомбинантной ДНК (широко известной как генная инженерия ). Развитие биотехнологических методов открыло множество возможностей для селекции сельскохозяйственных культур. Таким образом, в то время как менделевская генетика позволила селекционерам растений проводить генетические преобразования в нескольких сельскохозяйственных культурах, молекулярная генетика дала ключ как к манипулированию внутренней генетической структурой, так и к «созданию» новых сортов в соответствии с заранее определенным планом.
Большинство подходов к улучшению сельскохозяйственных культур, включая традиционную селекцию, модификацию генома и редактирование генов, в первую очередь опираются на фундаментальные процессы репарации и рекомбинации ДНК . [10] Наше текущее понимание механизмов репарации и рекомбинации ДНК у растений было получено в значительной степени из предыдущих исследований прокариот , дрожжей и животных, так что наши нынешние знания остаются укорененными в этой истории. [10] Такой подход привел к пробелам в нашем понимании основных процессов репарации и рекомбинации ДНК у растений, так что дальнейший прогресс в этой области исследований растений должен способствовать значительному улучшению сельскохозяйственных культур.
программа селекции растений, Gartons Limited к 1900 году выпустила пять сортов брюквы и три сорта репы.