Ускоренная селекция: успехи России и достижения Запада

Если вести речь об обеспеченности семенами наших хозяйств, то в идеале хотелось бы, чтобы семена отечественной селекции не уступали зарубежным, а это зависит от эффективности работы наших ведущих научных селекционных центров. Всех, согласитесь, волнуют вопросы:

• Каковы успехи отечественных селекционеров?

• Где место в мире отечественной селекции?

• Насколько наши ученые владеют современными методиками в области ускоренной селекции?

Наиболее наукоемкая, оперативная и достоверная информация по этой теме прозвучала в ходе научного форума «Отечественная селекция на стыке времен: классические подходы и новейшие тренды». Напомним, что мероприятие прошло в Москве в рамках выставки «Россия» и стало одним из самых обсуждаемых в научном сообществе.

Одна из актуальных прозвучавших тем – возможности для ускоренной селекции. Ученые откровенно ответили на вопрос о том, каким инструментарием владеют сейчас отечественные ученые и как они планируют форсировать селекционные наработки.

Многие ученые в своих выступлениях коснулись вопроса ускорения селекционного процесса. С отдельным докладом на эту тему выступила представитель ООО «КлимБиоТех» Дарья Фрейманс. Компания специализируется на создании автоматизированных лабораторно-климатических комплексов, позволяющих значительно ускорить темпы получения и обработки результатов научно-исследовательской деятельности в области генетики, биотехнологии и селекции ценных сельскохозяйственных культур.

Выступающая рассказала о практических подходах, связанных с ускорением селекционного процесса. Поделитесь, какие видит пути для объединения усилий и ресурсов в достижения максимальных результатов.

Она отметила, что ускоренная селекция в России существует довольно давно. И отдельные её элементы успешно применяются в ФБГНУ «Национальном центре зерна имени П.П. Лукьяненко» уже более 20 лет. Не дожидаясь заморозков, ученые проводят промораживание узлов кущения с помощью испытательных камер.

Сейчас набирает популярность в селекции спидбридинг. Это революционная технология селекции растений, которая значительно сокращает время выращивания культур. Она позволяет получать значительно большее количество поколений растений по сравнению с традиционными методами.

Так, на пшенице можно получить до 6-7 поколений в год вместо двух и значительно сократить время создания генотипов с заданными свойствами.

Спикер также отметила наличие проблем в РФ для реализации этой технологии. Необходим специальный комплекс дорогостоящего оборудования. И трансконтинентальны компании, конечно же, не делятся с нашими учеными своими наработками, хотя масштабно применяют спидбридинг уже более 20 лет.

Они используют мощное фенотипирующее оборудование, создают конвейерные ленты для подробного фенотипирования и оцифровки десятков тысяч растений в день.

Но у отечественных разработчиков есть ответ на зарубежные технологии. Российские лабораторные комплексы для сидбридинга позволяют создавать сорта, которые будут адаптированы к изменению климатических условий, например, к засухе или заморозкам. При этом десятки различных показателей управляются с любого устройства, будь то планшет, ноутбук или телефон.

Первые результаты технологии спидбридинга, реализованные в российском фитотроне учеными из Всероссийского НИИ сельскохозяйственной биотехнологии, оказались успешными. Ученые экспериментально подтвердили получение до 7 семенных поколений пшеницы в год. Подсолнечник показал рекордный результат цветения на 39 день после посева.

В отечественных лабораторных комплексах реализован точный климат для выращивания растений. Обеспечена регуляция целого ряда параметров, в том числе:

• температура от минус 22 градусов до плюс 40 градусов с шагом в диапазоне 0,1 С0;
• влажность от 30% до 95% с шагом 0,5%;
• температурный градиент – менее 1 градуса от сосуда до верха растения.

Установлены светильники, которые специально созданы отечественным производителем в целях спидбридинга. Они состоят из большого количества модулей, имеют повышенную плотность фотосинтетически активной радиации до 1600 umol/s/m2 на расстоянии 1,5 м от лампы до растения (100 000 люкс) и обеспечивают уменьшение краевого эффекта в 2 раза до 25% от площади.

Возможности отечественной системы жизнеобеспечения растений:

• точный полив множества растений в малом объеме,
• одновременны полив тысяч растений до 5 мл на одну точку,
• поддержание баланса Ph,
• поддержка электропроводимости (ES/TDS),
• смешивание и подача раствора в любых пропорциях, до пяти компонентов,
• температура раствора,
• уровень раствора.

Отечественные ученые активно ведут разработку систем для автоматизации рутинных процессов – цифрового фенотипирования растений посредством анализа изображений нейронными сетями. Особенность наших решений в сфере цифрового фенотипирования состоит в автоматизации процессов не в рамках одного растения, как это делалось ранее, а нескольких тысяч растений одновременно.

Перспективные функции для развития цифрового фенотипирования:

• количество колосьев,
• высота растений,
• длина колосьев,
• количество и масса зерна,
• время от посева до колошения/цветения,
• процент всхожести семян,
• поиск болезней у растений, своевременное уведомление о них,
• динамика развития растений.

Отечественные комплексы не только адаптированы под технологию спидбридинг, но и являются инструментом для получения данных Big Data: генотип – фенотип – среда. Множество спидбридинговых комплексов в едином поле собирают единый Data Set. Оцифрованные эксперименты собраны в оцифрованную информацию, доступную для изучения и учеными, и искусственным интеллектом.

Для этих целей сейчас разрабатывается приложение для оцифровки данных по промораживанию узлов кущения. Оно будет запущено в эксплуатацию в Национальном центре зерна имени П.П. Лукьяненко.

Оцифровка журнализации даст возможность:

• анализа графиков,
• быстрого подсчета коэффициентов,
• рассмотрения данных в массиве,
• поиска и обозначения скрытых закономерностей,
• обучения нейросетей на основе полученных данных.

Процесс по сбору данных для цифровых двойников растений уже запущен на базе ФГБНУ НЦЗ имени П.П. Лукьяненко и ВНИИСБ. Совместно с учеными специалисты «КлимБиоТех» разрабатывают унифицированный государственный стандарт хранения и обработки этих данных.

В обозримом будущем достаточное количество цифровых двойников позволит моделировать тысячи поколений растений в секунду с помощью искусственного интеллекта и производить отбор лучших комбинаций.

• ИИ может быстро анализировать большие объемы генетической информации, выявляя связи между определенными генами и желаемыми признаками растений.

• Искусственный интеллект способен моделировать и прогнозировать влияние различных факторов окружающей среды на рост и развитие растений, в том числе климатических условий, воздействие вредителей и болезней.

• ИИ может помочь в оптимизации процессов селекции растений за счет автоматизации рутинных процессов. Это позволит селекционерам сосредоточить свои усилия на стратегических задачах и ускорить процесс выведения новых сортов.

Эксперты «КлимБиоТех» уверены, что для цифровизации селекции необходимо масштабировать процесс. В частности, предлагается создание единого селекционного кластера, главная цель которого – объединить научную среду на высокотехнологичной платформе.

Единая платформа селекционных достижений может включать:

• единый госстандарт ускоренной селекции,

• центр экспертизы, способствующий локализации производства семян на территории РФ,

• создание единого информационного поля,

создание базы данных оцифрованных экспериментов для обеспечения продовольственной безопасности страны посредством сокращения времени разработки сортов и гибридов сельхоз культур.

По мнению команды «КлимБиоТех», решить проблему кадрового голода для задач в сфере оцифровки и автоматизации процессов селекции можно при помощи организации хакатонов и акселерационных программ. Ряд подобных мероприятий запланирован в ближайшее время на базе Московского инновационного кластера совместно с Агентством инноваций.

Опыт компании в этом направлении, который включает победу во всемирном конкурсе молодых предпринимателей GSEA и «Агротехстартап года», – сильный инструмент для привлечения молодых инноваторов в эту среду.

Резюмируя все вышесказанное, Дарья Фрейманс подчеркнула, что за последние два года российским ученым удалось сильно приблизится к технологиям Запада, которые развиваются уже более 20 лет. Все больше отечественных селекционных компаний и научно-исследовательских институтов используют технологию спидбридинга для сокращения селекционного процесса.

В этой связи вспомнился популярный советских лозунг насчет догнать и перегнать. И вытекающий из него вопрос. Почему мы опять догоняем? В стране есть ресурсы, не только финансовые, но и интеллектуальные, чтобы лидировать в области селекции и семеноводства, получая на полях страны достаточное количество высококачественных отечественных семян прогрессивных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур.

Для этого нужно делать верные шаги в плане технического и цифрового перевооружения, которые, не исключая глобальную конкуренцию, ставят в приоритет условия работы отечественных селекционных и семеноводческих компаний, создавая все условия для их роста и развития.