Введение

Рис посевной ( Oryza sativa L.) как сельскохозяйственная культура имеет очень большое значение и является важным продуктом питания для значительной части населения в мире. Эта культура входит в ежедневный рацион жителей Африки, Азии и стран Ближнего Востока. В России рис также является весьма популярным продуктом, который массово производится на юге страны [1]. Казахстан является самым северным регионом выращивания риса в мире, где данная культура возделывается преимущественно в Кызылординской и Алматинской областях. Создание сортов риса, устойчивых к холоду и пирикуляриозу, является актуальной задачей селекционной программы риса в Казахстане, поскольку в аномальные годы при длительной холодной весне до 20–30 % проростков погибают. Для поддержания и увеличения его урожайности необходимо создавать новые сорта, в том числе устойчивые к болезням и неблагоприятным условиям окружающей среды [2]. Производство риса ограничивается различными экологическими факторами, включая биотические стрессы, такие как бактериальные, вирусные и грибковые заболевания, а также повреждения насекомыми-вредителями, и абиотические стрессы, включающие воздействие холода, засухи, засоления и затопления [3].

Глобальные вызовы продовольственной безопасности

Рис является источником пищи для большинства людей на планете. Население мира растет с каждым годом и повышение устойчивости риса к пирикуляриозу способствует повышению урожайности риса в периоды эпифитоза, что способствует устойчивому развитию сельского хозяйства и искоренению голода в соответствии с целями программы ООН. По мере роста населения мира нехватка продовольствия и скрытый голод становятся все более актуальными проблемами современности. Эффективность повышения продовольственной безопасности возможна при увеличении урожайности сельскохозяйственных культур или путем расширения площади их посевов. Однако в условиях сокращения пахотных земель, изменения климата и увеличения площадей, подверженных засолению, засухе и затоплению, особое значение приобретают инновационные методы селекции, позволяющие создавать высокоурожайные и устойчивые к неблагоприятным факторам сорта сельскохозяйственных культур [1, 3].

Пирикуляриоз как основная угроза рисоводству

Болезни риса представляют собой один из основных лимитирующих факторов получения качественного зерна и высоких урожаев. Среди них пирикуляриозная болезнь риса, вызываемая грибом Magnaporthe oryzae , является одним из наиболее разрушительных заболеваний, встречающихся в производстве риса во всем мире. Потеря урожая от пирикуляриоза может составить от 70 % до 80 % [4]. Основными признаками пирикуляриоза являются пятна на листьях, стеблевом узле, семенах, метелке и листовом влагалище различной формы и окраски. Заболевание приводит к отмиранию листьев, ломке стеблей, преждевременному высыханию метелок, щуплости зерна и гибели всходов. Возбудитель болезни сохраняется на стерне и соломе риса, а также в семенах и способен к перезимовыванию [1]. Создание и рациональное использование устойчивых сортов является наиболее эффективной и экономичной мерой контроля пирикуляриоза. Однако высокая изменчивость популяции патогена и частое появление новых вирулентных рас создают сильное селекционное давление, в результате чего устойчивые сорта часто теряют устойчивость через три-пять лет выращивания. Поэтому объединение широкой и долговременной устойчивости является ключевой задачей селекционеров риса [4].

Ограничения традиционной селекции

Создание новых сортов риса, устойчивых к стрессам, традиционными методами является трудоемким, длительным и требует больших площадей для оценки в контролируемых или полевых условиях. На создание нового сорта традиционными методами требуется около шести-семи лет, а для самоопыляющихся культур этот срок может достигать 8–10 лет. Основные ограничения традиционной селекции включают: длительность селекционного процесса, значительное влияние окружающей среды на фенотип, низкую эффективность для сложных количественных признаков, позднее проявление многих важных признаков, а также так называемый генетический груз, связанный с переносом нежелательных генов вместе с целевыми [5]. Селекция на основе фенотипа существенно зависит от условий окружающей среды. При полном доминировании невозможно отличить доминантные гомозиготы от гетерозигот и, следовательно, выбрать оптимальные индивидуумы для скрещивания в текущем поколении. Анализ ряда важных признаков растений проводится после стадии развития, на которой может быть осуществлена гибридизация, поэтому скрещивание отобранных образцов проводится уже в следующий вегетационный период [6].

Молекулярные маркеры в селекции

Роль молекулярных маркеров в современной генетике трудно переоценить. С их помощью составлены подробные молекулярные карты генома человека и десятков видов растений и животных, на которые нанесены важнейшие гены. Молекулярные маркеры широко используются в популяционной генетике, сравнительной генетике и геномике.

Молекулярные маркеры, также называемые ДНК-маркерами, представляют собой генетические маркеры, анализируемые на уровне дезоксирибонуклеиновой кислоты. ДНК-маркеры являются третьим поколением генетических маркеров, им предшествовали белковые маркеры, а еще ранее — классические генетические маркеры [6].

Развитие молекулярных маркеров прошло несколько этапов. В 1980-е годы появились маркеры RFLP на основе полиморфизма длины рестрикционных фрагментов. В 1990-е годы получили распространение маркеры на основе полимеразной цепной реакции, включая RAPD, SSR и AFLP. С двухтысячных годов и по настоящее время наиболее широко используются маркеры SNP на основе однонуклеотидных полиморфизмов [5].

Среди основных типов маркеров микросателлитные маркеры SSR обладают высокой полиморфностью, кодоминантностью и широко распространены в геномах различных организмов. Однонуклеотидные полиморфизмы SNP являются наиболее распространенными в современных генетических исследованиях благодаря высокой точности детекции, стабильности результатов и возможности полной автоматизации анализа [6].

Принципы маркер-ассоциированной селекции

Маркер-ассоциированная селекция представляет собой современный подход в селекции растений, позволяющий отслеживать гены или участки генома, связанные с желаемыми признаками, с помощью ДНК-маркеров. В отличие от традиционной селекции, основанной на фенотипе, маркер-ассоциированная селекция позволяет проводить косвенный отбор по генотипу, повышая эффективность, точность и скорость создания сортов. Эффективность маркер-ассоциированной селекции зависит от связи маркера с признаком, генетической сцепленности и частоты рекомбинации. Маркер-ассоциированная селекция представляет собой косвенный отбор, где маркер выступает индикатором гена. Для эффективного применения необходимо, чтобы маркер и ген находились рядом на расстоянии менее пяти сантиморганов, а связь между ними была статистически подтверждена.

Различают прямые маркеры, расположенные внутри гена, и косвенные маркеры, расположенные рядом с геном. Использование внутригенного маркера позволяет отбирать нужные генотипы с наиболее высокой точностью. Большая точность отбора также достигается при использовании пары маркеров, расположенных вблизи гена по разные стороны от него, то есть маркеров, фланкирующих целевой ген. Требования к маркерам для эффективного применения в селекции включают: высокую полиморфность, тесную связь с геном, кодоминантность, воспроизводимость результатов, доступность и низкую стоимость, а также высокую пропускную способность анализа [5].

Преимущества маркер-ассоциированной селекции

С помощью молекулярных маркеров можно проводить отбор по генотипу, что имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с отбором по фенотипу. Процесс генотипирования может быть полностью или частично автоматизирован, тогда как методы автоматического фенотипирования развиваются очень медленно. Образцы для генотипирования можно отобрать практически в любой удобный момент, тогда как анализ проявления того или иного признака осуществляется на строго определенной стадии развития организма. Отбор проб для выделения ДНК на ранних стадиях развития позволяет своевременно изымать из селекционного процесса значительное количество материала, не потратив на анализ и уход за ним лишних средств. Генотип не зависит от изменения условий среды, тогда как на результаты фенотипирования влияют различные факторы окружающей среды. С помощью ДНК-маркеров можно отличить доминантные гомозиготы от гетерозигот, что невозможно при фенотипическом анализе в случае полного доминирования. При использовании ДНК-маркеров можно подобрать подходящие пары и осуществить гибридизацию в текущем поколении, что существенно ускоряет селекционный процесс [6].

Стратегии маркер-ассоциированной селекции

Метод маркер-ассоциированной селекции хорошо зарекомендовал себя при беккроссной и линейной селекции, а также при создании пирамид генов. Выделяют несколько основных стратегий применения данного метода [5].

Маркер-ассоциированное обратное скрещивание используется для переноса одного или нескольких генов от донора к реципиенту. При беккроссной селекции можно вести отбор по внутригенному маркеру, по маркерам, тесно сцепленным с геном, по генетическому фону, а также комбинировать различные подходы. Использование маркеров, равномерно распределенных по геному, позволяет не только контролировать передачу целевого гена от донора реципиенту, но и ускорять восстановление генома реципиента. Рекуррентный отбор применяется для сложных признаков, контролируемых множеством генов. Данная стратегия предполагает накопление полезных аллелей через несколько циклов скрещивания и отбора [5,6].

Применение маркер-ассоциированной селекции в рисоводстве

Для создания современных высокоурожайных сортов риса с высоким качеством зерна необходимо использование методов молекулярной биологии. Анализ на основе полимеразной цепной реакции в селекционном процессе позволяет ускорить процесс отбора форм с желаемыми генами, проводить подбор подходящих родительских форм, детектировать перенос целевых генов в селекционный материал [1].

На сегодняшний день выявлено более ста генов или локусов устойчивости к пирикуляриозу риса. Гены устойчивости распределены по одиннадцати хромосомам генома риса, при этом более шестидесяти четырех процентов локализованы на хромосомах шесть, одиннадцать и двенадцать. Успешно клонирован тридцать один ген устойчивости, включая такие гены как Pi1, Pi2, Pi9, Pi54, Pigm и Piz-t [4].

Применение ДНК-маркеров для поиска источников и доноров эффективных генов устойчивости является своевременной задачей при создании устойчивых к пирикуляриозу сортов риса. Идентификация аллелей генов устойчивости, таких как Pi-1, Pi-2, Pi-33, Pi-40, Pi-ta и Pi-b , у селекционных образцов риса методами маркер-ассоциированной селекции позволяет выявлять желаемые генотипы [1].

Среди наиболее изученных генов, связанных с устойчивостью к абиотическим стрессам, можно выделить гены солеустойчивости Saltol , локусы количественных признаков, ответственные за засухоустойчивость, и ген Sub1 , обеспечивающий устойчивость к затоплению [3].

Проблемы и ограничения метода

Существуют определенные ограничения в применении маркер-ассоциированной селекции. К ним относятся относительно высокие начальные затраты на разработку и валидацию маркеров, ограниченная доступность маркеров для некоторых признаков и культур, сложность работы с полигенными признаками, а также необходимость привлечения квалифицированных специалистов [5]. В селекции устойчивости к пирикуляриозу существуют три основные проблемы: наличие небольшого числа генов, которые обеспечивают устойчивость как к листовой стадии болезни, так и к поражению метелки; непредсказуемость эффекта устойчивости у линий с пирамидированными генами; а также то, что лишь небольшое количество генов устойчивости было успешно использовано в молекулярной селекции [4].

Повышение устойчивости риса к пирикуляриозу путем пирамидирования генов

Пирамидирование генов представляет собой объединение нескольких генов устойчивости в одном генотипе. Эта стратегия широко применяется для создания устойчивости к болезням и стрессоустойчивости. Создание высокопродуктивных сортов и линий риса являются важнейшей тактикой для удовлетворения растущего спроса на данную культуру, особенно в свете постоянно растущего населения мира и трудностей производства достаточного количества продовольствия на небольшом участке пахотной земли. Информации о создании перспективных пирамидальных линий [7] и сортов [8], которые могут способствовать глобальной продовольственной безопасности, обеспечивая высокую устойчивость к воздействию грибных инфекции и сохранение продуктивности. Однако эффект устойчивости у линий с пирамидированными генами не всегда является результатом простого суммирования спектра устойчивости отдельных генов. Это объясняется сложными взаимодействиями между генами, включая эпистатические эффекты, при которых один ген может подавлять или модифицировать действие другого, что требует тщательного подбора комбинаций генов для достижения максимальной и стабильной устойчивости [4, 5].

Перспективы развития

Благодаря преимуществам отбора по генотипу применение молекулярных маркеров стало неотъемлемой частью селекционного процесса во многих странах мира. Предложены новые стратегии использования генов устойчивости в молекулярной селекции, такие как точное понимание использования генов в основных современных сортах, создание базового устойчивого генетического материала с превосходными комплексными признаками, отбор и использование комбинаций генов с широким спектром устойчивости и долгосрочной защите [4]. Будущее маркер-ассоциированной селекции связано с геномной селекцией, с использованием технологий редактирования генома, таких как CRISPR, применением полногеномного ассоциативного анализа для выявления новых генов, а также с высокопроизводительным фенотипированием [4, 5].

Заключение

Маркер-ассоциированная селекция представляет собой ключевую технологию современной селекции растений, которая существенно трансформировала подходы к созданию новых сортов сельскохозяйственных культур. Данный метод позволяет проводить точный и эффективный отбор желаемых признаков с использованием ДНК-маркеров, преодолевая основные ограничения традиционного фенотипического отбора.

Применение маркер-ассоциированной селекции в рисоводстве демонстрирует высокую эффективность при создании сортов, устойчивых к пирикуляриозу и другим биотическим и абиотическим стрессам [2]. Идентификация и использование генов устойчивости с помощью молекулярных маркеров позволяет значительно ускорить селекционный процесс и повысить точность отбора желаемых генотипов.

Несмотря на существующие ограничения, связанные с высокими начальными затратами и сложностью работы с полигенными признаками, маркер-ассоциированная селекция продолжает развиваться и интегрироваться с новыми технологиями. Сочетание данного метода с геномной селекцией, технологиями редактирования генома и высокопроизводительным фенотипированием открывает новые перспективы для создания высокоурожайных, качественных и устойчивых к неблагоприятным факторам сортов риса, что имеет критическое значение для обеспечения продовольственной безопасности в условиях роста населения планеты и изменения климата.

Литература:

1. Шумская О. В., Вожжова Н. Н., Жогалева О. С., Дубина А. Ю., Костылев П. И. Идентификация генов устойчивости к пирикуляриозу риса Pi-1, Pi-2, Pi-33, Pi-40, Pi-ta, Pi-b. Зерновое хозяйство России. 2023;(5):30–38. https://doi.org/10.31367/2079–8725–2023–88–5–30–38
2. Amirova, A., Usenbekov, B., Berkimbay, K., Mynbayeva, D., Atabayeva, S., Baiseitova, G., Meldebekova, A., Zhunusbayeva, Z., Kenzhebayeva, S., & Mukhambetzhanov, S. Selection of rice breeding lines for resistance to biotic and abiotic stresses. Brazilian journal of biology = Revista brasleira de biologia vol. 84 e282495. 13 May. 2024, DOI: 10.1590/1519–6984.282495
3. Emon, R. M. Molecular markers, marker assisted selection for rice in relation to biotic and abiotic stress. Discov Agric 3, 102 (2025). https://doi.org/10.1007/s44279–025–00265-w
4. Ning X., Wu Y., Li A. Strategy for Use of Rice Blast Resistance Genes in Rice Molecular Breeding. Rice Science. 2020;27(4):263–277. DOI: 10.1016/j.rsci.2020.05.003
5. Kumar A., Kumar B., Kumari P., Saket K. Marker-Assisted Selection (MAS). Principles of Quantitative and Biometrical Genetics. 2025:137–151
6. Хлесткина Е. К. Молекулярные маркеры в генетических исследованиях и в селекции. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(4/2):1044–1054.
7. Mynbayeva, D., Amirova, A., Usenbekov, B., Dubina, E., Sartbayeva, I., Zhunusbayeva, Z., Yrgynbayeva, S., Kuatbayev, A., & Zeinalov, Z. “Enhancing Rice Blast Resistance through Gene Pyramiding and Marker-Assisted Selection: Implications for Sustainable Agriculture and Environmental Impact.” ES Energy & Environment, vol. 26, 2024, p. 1349. DOI: 10.30919/esee1349
8. E. Dubina, P. Kostylev, M. Ruban, S. Lesnyak, E. Krasnova,K. Azarin, Rice breeding in Russia using genetic markers, Plants, 2020, 9, 1580, DOI: 10.3390/plants9111580