Селекция риса на повышение его продуктивности (обзор)

В мировом рисоводстве основными направлениями селекции сортов и гибридов являются повышение продуктивности растений, приспособленность к условиям возделывания, качество получаемой продукции, устойчивость к стрессовым факторам среды, включая болезни.

Повышение урожайности риса в ведущих селекционных центрах связывают с изменением морфотипа растений: низкорослые с эректоидными листьями и высокоозерненной крупной метелкой.

В Международном НИИ риса (IRRI) созданы сорта риса, которые в условиях тропической зоны формируют урожай зерна 10–11 т/га, при К_хоз = 0,5. В Китае получен гетерозисный гибрид риса с урожайностью 13,9 т/га, имеющий новый морфотип растений и период вегетации 163 дня. Гибриду присвоена категория «супер-рис».

Современные селекционные программы направлены на создание сортов «зеленого супер-риса» методами педигри, беккроссирования для интрогрессии целевых генов с использованием ДНК-технологий.

Российские селекционеры традиционно создавали сорта риса, адаптированные к местным условиям, созревающие до 125 дней. В 1980-е гг. начата программа по созданию высокопродуктивного сорта риса с эректоидным типом листьев для уплотненных посевов. В результате ступенчатой гибридизации и целенаправленных отборов создан новый исходный материал с целевыми признаками «супер-риса», из которого получен сорт ‘Полюс-5’ с новым морфотипом растений. Сорт внесен в Госреестр и допущен к использованию в производстве с 2023 г. При испытании сорт ‘Полюс-5’ за 120 дней вегетации в условиях загущенного посева и повышенного уровня минерального питания сформировал урожайность 1380 г/м².

1. Ahmed T. Twenty years of achievements of the EIRLSBN: accomplishments of the Regional Agricultural Research Station, Titabar, Assam. In: B.C.Y. Collard, A.M. Ismail, B. Hardy (eds). EIRLSBN: Twenty Years of Achievements in Rice Breeding. Los Baños: IRRI; 2013. p.65-86. Available from: http://books.irri.org/9789712202957_content.pdf [accessed Aug. 04, 2023].

2. Ali J., Anumalla M., Murugaiyan V., Li Z. Green Super Rice (GSR) traits: Breeding and genetics for multiple biotic and abiotic stress tolerance in rice. In: J. Ali, S.H. Wani (eds). Rice Improvement: Physiological, Molecular Breeding and Genetic Perspectives. Cham: Springer; 2021. p.59-97.

3. Ali J., Jewel Z.A., Mahender A., Anandan A., Hernandez J., Li Z. Molecular genetics and breeding for nutrient use efficiency in rice. International Journal of Molecular Sciences. 2018;19(6):1762. DOI: 10.3390/ijms19061762

4. Bagudam R., Eswari K.B., Badri J., Devi G.L., JaiVidhya L.R.K., Bhavani P. et al. Morphological and molecular characterization of new plant type core set for yield and culm strength traits in rice (Oryza sativa L.). Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology. 2020;30(6):233-242. DOI: 10.1007/s13562-020-00581-w

5. Bai S., Yu H., Wang B., Li J. Retrospective and perspective of rice breeding in China. Journal of Genetics and Genomics. 2018;45(11):603-612. DOI: 10.1016/j.jgg.2018.10.002

6. Breseghello F., Coelho A.S.G. Traditional and modern plant breeding methods with examples in rice (Oryza sativa L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2013;61(35):8277-8286. DOI: 10.1021/jf305531j

7. Chauhan B.S., Opeña J., Ali J. Response of 10 elite “Green Super Rice” genotypes to weed infestation in aerobic rice systems. Plant Production Science. 2015;18(2):228-233. DOI: 10.1626/pps.18.228

8. Cheng S.H., Cao L.Y., Zhuang J.Y., Chen S.G., Zhan X.D., Fan Y.Y. et al. Super hybrid rice breeding in China: Achievements and prospects. Journal of Integrative Plant Biology. 2007;49(6):805-810. DOI: 10.1111/j.1744-7909.2007.00514.x

9. Donde R., Mohapatra S., Baksh S.K.Y., Padhy B., Mukherjee M., Roy S. et al. Identification of QTLs for high grain yield and component traits in new plant types of rice. PLoS One. 2020;15(7):e0227785. DOI: 10.1371/journal.pone.0227785

10. Duan E., Wang Y., Li X., Lin Q., Zhang T., Wang Y. et al. OsSHI1 regulates plant architecture through modulating the transcriptional activity of IPA1 in rice. The Plant Cell. 2019;31(5):1026-1042. DOI: 10.1105/tpc.19.00023

11. Дубина Е.В., Шиловский В.Н., Костылев П.И., Рубан М.Г., Оглы А.М. Создание сортов риса, устойчивых к пирикуляриозу, на основе применения ДНК-технологий. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(1):16-23. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-1-16-23

12. Elert E. Rice by the numbers: A good grain. Nature. 2014;514(7524):50-51. DOI: 10.1038/514s50a

13. Gao L., Gao Q., Lorenc M. Comparison of total factor productivity of rice in China and Japan. Sustainability. 2022;14(12):7407. DOI: 10.3390/su14127407

14. Гончарова Ю.К. Вариабельность, наследование и связь с продуктивностью признаков фотосинтеза у риса. Краснодар: ВНИИ риса; 2012.

15. He Q., Deng H., Sun P., Zhang W., Shu F., Xing J. et al. Hybrid rice. Engineering. 2020;6(9):967-973. DOI: 10.1016/j.eng.2020.08.005

16. Hernández-Soto A., Echeverría-Beirute F., Abdelnour-Esquivel A., Valdez-Melara M., Boch J., Gatica-Arias A. Rice breeding in the new era: Comparison of useful agronomic traits. Current Plant Biology. 2021;27:100211. DOI: 10.1016/j.cpb.2021.100211

17. Jat R.K., Meena V.S., Kumar M., Jakkula V.S., Reddy I.R., Pandey A.C. Direct seeded rice: Strategies to improve crop resilience and food security under adverse climatic conditions. Land. 2022;11(3):382. DOI: 10.3390/land11030382

18. Jiao Y., Wang Y., Xue D., Wang J., Yan M., Liu G. et al. Regulation of OsSPL14 by OsmiR156 defines ideal plant architecture in rice. Nature Genetics. 2010;42(6):541-544. DOI: 10.1038/ng.591

19. Khan M.H., Dar Z.A., Dar S.A. Breeding strategies for improving rice yield – A review. Agricultural Sciences. 2015;6(5):467-478. DOI: 10.4236/as.2015.65046

20. Хлесткина Е.К. Геномное редактирование риса при использовании системы CRISPR/Cas. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(1):49-54. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-1-49-54

21. Khush G.S. Strategies for increasing the yield potential of rice. In: J.E. Sheehy, P.L. Mitchell, B. Hardy (eds). Redesigning Rice Photosynthesis to Increase Yield. Los Baños: IRRI; 2000. p.207-213. Available from: http://books.irri.org/0444506101_content.pdf [accessed Aug. 04, 2023].

22. Khush G.S., Coffman W.R., Beachell H.M. The history of rice breeding: IRRI’s contribution. In: W.G. Rockwood (ed.). Rice Research and Production in the 21st Century: Symposium Honoring R.F. Chandler, Jr. Los Baños: IRRI; 2001. p.117-135. Available from: http://books.irri.org/9712201635_content.pdf [accessed Aug. 04, 2023].

23. Khush G.S., Virk P.S. IR varieties and their impact. Los Baños: IRRI; 2005. Available from: http://books.irri. org/9712202062_content.pdf [accessed Aug. 04, 2023].

24. Костылев П.И., Краснова Е.В., Редькин А.А., Дубина Е.В., Мухина Ж.М. Объединение генов устойчивости риса к пирикуляриозу в генотипах российских сортов с использованием маркерной селекции. Экологическая генетика. 2017;15(3):54-63. DOI: 10.17816/ecogen15354-63

25. Li J., Meng X., Zong Y., Chen K., Chang H., Liu J. et al. Gene replacements and insertions in rice by intron targeting using CRISPR–Cas9. Nature Plants. 2016;2(10):16139. DOI: 10.1038/nplants.2016.139

26. Li Z., Ali J. Breeding green super rice (GSR) varieties for sustainable rice cultivation. In: T. Sasaki (ed.). Achieving Sustainable Cultivation of Rice. Vol. 1. Washington DC: Burleigh Dodds Science Publishing; 2017. p.109-129. DOI: 10.19103/AS.2016.0003.05

27. Ляховкин А.Г. Рис. Мировое производство и генофонд риса. Санкт-Петербург: ПРОФИ ИНФОРМ; 2005.

28. Marcaida III M., Li T., Angeles O., Evangelista G.K., Fontanilla M.A., Xu J. et al. Biomass accumulation and partitioning of newly developed Green Super Rice (GSR) cultivars under drought stress during the reproductive stage. Field Crops Research. 2014;162:30-38. DOI: 10.1016/j.fcr.2014.03.013

29. Ничипорович А.А. Теория фотосинтетической продуктивности растений и рациональное направление селекции на повышение продуктивности. В кн.: Физиолого-генетические основы повышения продуктивности зерновых культур. Москва: Колос; 1975. С.5-14.

30. Peng S., Khush G.S., Virk P., Tang Q., Zou Y. Progress in ideotype breeding to increase rice yield potential. Field Crops Research. 2008;108(1):32-38. DOI: 10.1016/j.fcr.2008.04.001

31. Peng S., Laza R.C., Visperas R.M., Sanico A.L., Cassman K.G., Khush G.S. Grain yield of rice cultivars and lines developed in the Philippines since 1966. Crop Science. 2000;40(2):307-314. DOI: 10.2135/cropsci2000.402307x

32. Rahangdale S., Singh Y., Kujur M.J., Koutu G.K. Exploration of new plant type (NPT) rice lines for crop improvement. In: R.K. Naresh (ed.). Advances in Agriculture Sciences. Vol. 19. New Delhi: AkiNik Publications; 2019. p.53-67.

33. Росс Ю.К. Радиационный режим и архитектоника растительного покрова. Ленинград: Гидрометеоиздат; 1975.

34. Sasahava T., Cheng C.H., Seno K. Photosynthetic capacity and inheritance of V-type leaf in rice. Japanese Journal of Breeding. 1989;39(1):15-22. [in Japanese]

35. Shilovsky V.N., Kharitonov E.M., Sheujen A.Kh. Rice breeding and cultivars in Kuban (Selektsiya i sorta risa na Kubani). Maikop; 2001. [in Russian].

36. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию: [сайт]). URL: https://reestr.gossortrf.ru [дата обращения: 01.09.2023.

37. Thudi M., Palakurthi R., Schnable J.C., Chitikineni A., Dreisigacker S., Mace E. et al. Genomic resources in plant breeding for sustainable agriculture. Journal of Plant Physiology. 2021;257:153351. DOI: 10.1016/j.jplph.2020.153351

38. Ткаченко М.А., Гненный Е.Ю., Динкова В.С., Самелик Е.Г., Зеленский Г.Л. Зависимость продуктивности вертикальнолистных сортов риса от густоты стояния и уровня азотного питания. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2022;(179):22-32. DOI: 10.21515/1990-4665-179-003

39. Wang F., Peng S.B. Yield potential and nitrogen use efficiency of China’s super rice. Journal of Integrative Agriculture. 2017;16(5):1000-1008. DOI: 10.1016/S2095-3119(16)61561-7

40. Wang F., Wang C., Liu P., Lei C., Hao W., Gao Y. et al. Enhanced rice blast resistance by CRISPR/Cas9-targeted mutagenesis of the ERF transcription factor gene OsERF922. PLoS One. 2016;11(4):e0154027. DOI: 10.1371/journal.pone.0154027

41. Wing R.A., Purugganan M.D., Zhang Q. The rice genome revolution: from an ancient grain to Green Super Rice. Nature Reviews. Genetics. 2018;19(8):505-517. DOI: 10.1038/s41576-018-0024-z

42. Wu X. Prospects of developing hybrid rice with super high yield. Agronomy Journal. 2009;101(3):688-695. DOI: 10.2134/agronj2008.0128f

43. Yu S., Ali J., Zhang C., Li Z., Zhang Q. Genomic breeding of Green Super Rice varieties and their deployment in Asia and Africa. Theoretical and Applied Genetics. 2020;133(5):1427-1442. DOI: 10.1007/s00122-019-03516-9

44. Yu S., Ali J., Zhou S., Ren G., Xie H., Xu J. et al. From Green Super Rice to green agriculture: Reaping the promise of functional genomics research. Molecular Plant. 2022;15(1):9-26. DOI: 10.1016/j.molp.2021.12.001

45. Yuan L. Progress in super-hybrid rice breeding. The Crop Journal. 2017;5(2):100-102. DOI: 10.1016/j.cj.2017.02.001

46. Zelensky G., Dubina E., Ladatko M., Zelenskaya O. Innovative trends in breeding disease resistant rice varieties. E3S Web of Conference. 2021;285:02029. DOI: 10.1051/e3sconf/202128502029

47. Зеленский Г.Л. Биологический потенциал рисового растения. Доклады ВАСХНИЛ. 1985;(11):16-18.

48. Зеленский Г.Л. Новые высокоурожайные формы риса. Доклады Российской Академии сельскохозяйственных наук. 1998;(4):14-15.

49. Зеленский Г.Л. Реакция форм риса с эректоидными листьями на загущение. Рисоводство. 2005;(7):21-25.

50. Зеленский Г.Л., Ткаченко М.А., Гненный Е.Ю. Полюс-5 – сорт с новым морфотипом растений. Рисоводство. 2023;2(59):39-46. DOI: 10.33775/1684-2464-2023-59-2-39-46

51. Зеленский Г.Л., Зеленская О.В. Рис: от растения до диетического продукта: монография. Краснодар: Кубанский государственный аграрный университет; 2022.

52. Zhang Q. Strategies for developing Green Super Rice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(42):16402-16409. DOI: 10.1073/pnas.0708013104