ПРОИЗВОДСТВО ЗЕРНОВОЙ ПРОДУКЦИИ Российский патент 2024 года по МПК A01H1/02 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

[0001] Для настоящей заявки испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США сер. №62/184596, поданной 25 июня 2015 года и озаглавленной «Производство семян» (SEED PRODUCTION), по предварительной заявке на патент США сер. №62/269496, поданной 18 декабря 2015 года и озаглавленной «Производство семян» (SEED PRODUCTION), и по предварительной заявке на патент США сер. №62/269531, поданной 18 декабря 2015 года и озаглавленной «Производство зерновой продукции» (GRAIN PRODUCTION), а также по предварительной заявке на патент США сер. №62/269514, поданной 18 декабря 2015 года и озаглавленной «Производство зерновой продукции» (GRAIN PRODUCTION). Содержание предварительных заявок на патент США сер. №№62/184,596; 62/269,496; 62/269,531; and 62/269,514 включено в настоящую заявку во всей полноте по ссылке.

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

[0002] Предлагаемое изобретение в целом относится к новым способам производства зерновой продукции, направленным на повышение урожайности сельскохозяйственных культур. В частности, предлагаемое изобретение относится к технологии опыления по запросу, применимой к зерновым сельскохозяйственным культурам и не зависящей от активного испускания пыльцы, соседствующих растений или семенных смесей.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

[0003] Предлагаемое изобретение применимо в отрасли производства зерновой продукции и при опылении растений, в том числе (но не только) к экономически значимым зерновым культурам, таким как кукуруза, соя, пшеница, рис, подсолнечник, канола, сорго, ячмень и просо американское. Под термином «производство зерновой продукции» в тексте настоящей заявки следует понимать производство зерновой продукции в коммерческих масштабах с использованием полей площадью минимум 0,8 га (2 акра) для этого производства зерновой продукции. Традиционное поле для выращивания зерновых культур в типичном случае занято под гибридные растения первого поколения (F1), несущие гены двух инбредных родительских растений (хотя в стандартном мешке зерна присутствует также небольшой процент семян-загрязнителей, то есть, не являющихся F1). В других обстоятельствах для производства зерновой продукции используют методику «топкросс». В отличие от традиционного поля, занятого под растения F1, при использовании методики «топкросс» на поле выращивают следующую смесь растений: гибрид с мужской бесплодностью (приблизительно 93%) и растение - донор пыльцы с мужской фертильностью - носитель идиоплазмы высокой масличности (7%). Коммерческое производство зерновой продукции часто зависит от полевого производства гибридных растений. Гибридные растения являются результатом оплодотворения мужской пыльцой из источника с одним фоновым генотипом женских репродуктивных органов растения с другим фоновым генотипом. Гибридизация у зерновых сельскохозяйственных культур в целом дает прибавку урожайности при коммерческом производстве. В настоящее время в первую очередь кукуруза, рис, сорго, подсолнечник и канола являются теми зерновыми культурами, которые обеспечивают преимущество при использовании гибридных семян. В меньшей степени выращиваются как гибриды другие зерновые культуры, в частности, соя, пшеница, ячмень, просо американское и др.

[0004] Что касается сельскохозяйственных культур, для которых производство зерновой продукции является обычной практикой, существующие способы производства зерновой продукции несколько различаются от вида к виду, но обычно для выращивания растений, которые на стадии зрелости своих семян дают желаемую зерновую продукцию, предусматривают засевание полей семенами одного и того же сорта. На таких полях растения обычно самоопыляются либо опыляются пыльцой соседних растений. Возможно также некоторое перекрестное опыление пыльцой растений того же вида с других близлежащих полей.

[0005] Для целей предлагаемого изобретения и его применимости к производству зерновой продукции термин «собственная пыльца», который в строгом смысле подразумевает только собственную пыльцу индивидуального растения, в настоящем описании включает в себя также понятие «сибс-пыльца», который в строгом смысле значит пыльцу растений-сибсов (потомков одних и тех же родителей), имеющих ту же генетику. Аналогично - термин «самоопыление», который в строгом смысле подразумевает опыление индивидуального растения его собственной пыльцой, в настоящем описании включает в себя также понятие «сибс-опыление», который в строгом смысле значит опыление пыльцой растений-сибсов, имеющее тот же эффект, что и собственно самоопыление. На поле по производству гибридных семян самоопыление и сибс-опыление имеют эффект самоопыления с точки зрения влияния на семенную продукцию, которое проявляется в снижении урожайности (по сравнению с перекрестным опылением пыльцой мужского родителя из другой линии) и повышении генетической чистоты в случае пищевой кукурузы. Для целей предлагаемого изобретения под термином «перекрестное опыление» в настоящем описании подразумевается генетический обмен между растениями двух инбредных линий или гибридами в прилегающих или окружающих полях, а не между растениями на одном и том же поле. Таким образом, перекрестное опыление - это привлечение для опыления взятой из других мест пыльцы, которая генетически отличается от пыльцы растений, произрастающих на данном поле по производству зерновой продукции.

[0006] Преимущество использования для производства зерновой продукции гибридных семян состоит в том, что гибридам, как известно, свойственно проявлять эффект гетерозиса, который проявляется в превосходящей родительскую жизненной силе гибрида, растение - гетерозисный гибрид является более жизнеспособным и климатоустойчивым растением. Результатом гетерозиса является также более высокая урожайность зерновой культуры. Эффект гетерозиса иногда также называют «ксения-эффектом» (Stamp et al. (2002) Crop Sci. 42: 1848-1856; Stamp et al. (2002) Maydica 47: 127-134). Гетерозис имеет место также тогда, когда гибридное растение (растение, полученное скрещиванием родительских растений двух разных линий) опылено пыльцой растения еще одной линии, чем обеспечивают дальнейший рост урожайности. Гибридные зерновые культуры по урожайности существенно превосходят негибридные культивары а также проявляют лучшую восприимчивость к оплодотворяющим агентам. Однако условия вегетационного сезона от года к году разнятся, и давление со стороны окружающей среды, вспышки болезней и поражения насекомыми-вредителями могут существенно повлиять на урожай зерновой культуры.

[0007] Теоретически перекрестно опыляющие гибриды могут обеспечить преимущество в отношении урожайности благодаря исключению инбридинговой депрессии, обусловленной самоопылением или сибс-опылением, или же за счет создания новых комбинаций генов, которые обеспечивают эффект гетерозиса в отношении зерен (семян). Этот эффект получил название «ксения-эффект». «Ксения может быть определена как действие генов пыльцы на развитие плодов или семян» (Bulant et al. ((2000) Crop Sci. 40: 182-188).

[0008] Многочисленными исследованиями было показано влияние источника пыльцы на развитие зерна (семени). Согласно относящемуся к самым ранним сообщению Киссельбаха (Kiesselbach, Т.А. (1926) Neb. Agric. Exp. Stn. Bull. 33: 1-69; Kiesselbach, T.A. & W.H. Leonard (1932) J. Am. Soc. Agron. 24: 517-523), по сравнению с самоопылением при перекрестном опылении масса зерна (семени) увеличивается в среднем на 10,1% (на 11,8% у зародыша, на 10,04% у эндосперма и на 3,2% у перикарпия. Цай и Цай (Tsai, C.L. & C.Y. Tsai (1990) Crop Sci. 30: 804-808) показали, что у раннего гибрида при его опылении пыльцой позднего гибрида имеет место повышение урожайности зерновой продукции приблизительно на 30% и повышение содержания белка приблизительно на 44%. Использовавшие инбредные линии кукурузы Булан и др. (Bulant et al. (2000) Crop Sci. 40: 182-188) сообщают о 13%-ном преимуществе в массе у зерен (семян), полученных в результате перекрестного опыления по сравнению с полученными в результате самоопыления. Селекционные исследования, проводившиеся в университете штата Южная Дакота, подтверждают, что перекрестное опыление конкретных гибридов может увеличить крупность зерна (семени) и повысить содержание белка, и что на перекрестное опыление между гибридами сходной зрелости приходится от 40% до 60% зерен, образовавшихся в смешанных насаждениях (Wicks III, Z., (1994) Proc. Annual Corn and Sorghum Res. Conf. 4.

[0009] Развитие зерен (семян) может быть изменено перекрестным опылением (Tsai, C.L. & C.Y. Tsai (1990) Crop Sci. 30: 804-808; Poneliet, C.G. and D.B. Egli, (1983) Crop Sci. 23: 872-875). В указанной работе Понелье и Эльи 1983 года (см. Poneliet, C.G. and D.B. Egli, (1983) выше) показано, что продолжительность периода эффективного налива в случае перекрестного опыления была больше, чем в случае самоопыления. Источник пыльцы оказывает влияние также на развитие эндосперма в отношении содержания белка, аминокислотного профиля и просвечиваемости (Pixley, K.V. and M.S. Bjarnason (1994) Crop Sci. 34: 404-408; Bulant et al. (2000) Crop Sci. 40: 182-188). На четырнадцатый день после опыления преимущество от перекрестного опыления выражалось в среднем повышении содержания крахмала на 28,8%, повышении активности АДФ (аденозиндифосфорная кислота)-глюкоза-пирофосфорилазы (код фермента КФ 2.7.7.27) на 24,8% и повышении активности нейтральной инвертазы (КФ 3.2.1.26) на 24,1% (Bulant et al. (2000) Crop Sci. 40: 182-188). Цай и др. (Tsai et al. (1991) J. Sci. Food Agric. 57: 163-174) модифицировали эндосперм Р3732 посредством перекрестного опыления, что значительно увеличило массу зерна, содержание белка в зерне и урожай в некотором диапазоне вариантов внесения азотных удобрений. Дополнительные питательные вещества, которые транслоцировались в развивающиеся зерна перекрестно опыленных растений Р3732 в основном происходили от увеличения продолжительности производства сухого вещества и ввода в ценоз азота вегетативными тканями растения (Tsai et al. (1991) J. Sci. Food Agric. 57: 163-174). Эти общепризнанные воздействия на состав зерна являются основой для «топкросс»-методики производства высокомасличной кукурузы. «Топкросс»-система для производства высокомасличной кукурузы - это методика, использовавшаяся в 1990-х и в начале 2000-х годов, когда высокая масличность обеспечивалась комбинацией гибрида с мужской бесплодностью (приблизительно 93%) и растения - донора пыльцы с мужской фертильностью - носителя идиоплазмы высокой масличности (7%). Результатом было повышение содержания масла с приблизительно 3-4% (как у обычной товарной кукурузы) до приблизительно 6% у высокомасличных зерен, полученных по методике «топкросс». Эта высокомасличная зерновая продукция продавалась на зерновой бирже по повышенной цене (Thomison, P. R. et al. (2002) Agron. J. 94: 290-299).

[0010] Степень проявления ксения-эффекта различается у мужского и женского генотипов. Чем больше генетическое различие между растением -источником пыльцы и женским растением, тем больше ожидаемый отклик на перекрестное опыление (Leng, E.R., (1949) Agron. J. 41: 555-558; Bulant, С.and A. Gallais, (1998) Crop Sci. 38: 1517-1525). Для простых гибридов преимущество перекрестного опыления было слабее, чем для их инбредных родителей, и это преимущество разнится в зависимости от мужского растения. Для гибридов, полученных скрещиванием инбредных растений, преимущество составляло 13,8% и 14,5%, а для растений, полученных скрещиванием их гибридов, преимущество составляло всего 2,5% (Bulant, С.and A. Gallais, (1998) Crop Sci. 38: 1517-1525). На результат перекрестного опыления влияют как свойства пыльцы, так и свойства материнского растения (Seka, D and H.Z. Cross (1995) Crop Sci. 35: 80-85; Seka, D. et al. (1995) Crop Sci. 35: 74-79).

[0011] Результаты перекрестного опыления между гибридами, наблюдавшиеся Булантом и Галэ (Bulant, С.and A. Gallais, (1998) Crop Sci. 38: 1517-1525), показывают, что перекрестное опыление может увеличить силу стока всего початка и что преимущество по зерновой массе может быть обеспечено в неблагоприятных обстоятельствах. Положительные ксения-эффекты интерпретировались в терминах отношений источник-сток. Если ресурсы ограничены, то увеличение силы стока ведет к возрастанию величины средней массы зерна со смешанным опылением по сравнению со случаем чистого самоопыления. Не было установлено какой-либо связи между преимуществом перекрестного опыления и средней массой семени, полученного в результате самоопыления мужского или женского источника пыльцы. Преимущество перекрестного опыления было благоприятным как для мелких зерен, так и для крупных зерен (Bulant, С.and A. Gallais, (1998) Crop Sci. 38: 1517-1525).

[0012] Успех опыления имеет решающее значение для урожайности зерновых культур. Эту урожайность измеряют в массе, полученной с единицы площади зерновой продукции при заданной влажности последней (например, для кукурузы установлена нормативная влажность 15,5%). Низкая степень опыления приводит к низкому урожаю зерновой культуры. Поэтому производители зерновой продукции обычно делают ставку на самоопыление и опыление соседними растениями на этом поле, так как они знают, что опыление произойдет на протяжении правильного окна, когда женские репродуктивные компоненты растения будут готовы принять пыльцу. К сожалению, самоопыление не гарантирует получение максимального урожая зерновой продукции, и неуспех нельзя списать на изменение условий и стрессы, которые могли повлиять на растение на протяжении вегетационного периода.

[0013] Таким образом, в данной отрасли существует потребность в изобретении, которое удовлетворяло бы одно или любое сочетание следующих требований: более высокая урожайность зерновых культур, улучшенный состав семян, повышенная генетическая чистота семян, улучшенные характеристики семян, пониженная степень генетического загрязнения. Предлагаемым изобретением обеспечено создание способа повышения урожайности зерновых культур путем целенаправленного перекрестного опыления растений, производящих зерновую продукцию. Кроме того, предлагаемым изобретением обеспечено создание способа увеличения размеров зерна и изменения состава зерна путем специального перекрестного опыления с использованием пыльцы с отличающимся фоновым генотипом, способа, который также обеспечивает возможность в режиме реального времени принимать производственные решения в связи с проблемами, вызванными условиями, сложившимися в период опыления, или другими производственными проблемами. Этот способ позволяет также уменьшить нежелательное генетическое загрязнение зерновой продукции, собранной с поля. Кроме того, предлагаемым изобретением обеспечено также создание способа максимизации синхронности опыления собственной пыльцой или сибс-пыльцой, благодаря чему должно быть обеспечено уменьшение генетического загрязнения от нежелательного перекрестного опыления, это особенно применимо к отрасли так называемого органического земледелия. Эти два способа могут быть скомбинированы, чтобы одновременно и повысить урожайность с изменением крупности зерна и его состава, и уменьшить генетическое загрязнение.

[0014] Описываемое здесь изобретение обеспечило бы 5%-ное повышение урожайности у кукурузы (по заведомо заниженной оценке), годовой доход от предлагаемого изобретения при его применении на 33% по большей части высокопродуктивной земли составил бы 1,1 миллиарда долларов США по всей цепочке создания стоимости только в США. Этот расчет базируется на том, что в 2015 году производство кукурузы в США составило 345 миллионов метрических тонн (далее в условном обозначении «ммт») (U.S. Corn Growers Association (2016) World of Corn [онлайн, получено на 13 июня 2016 года], взято из Интернета:

http://www.worldofcorn.com/#us-corn-production), а цена кукурузы на зерновой бирже 185,04 доллара США за метрическую тонну (далее в условном обозначении «мт») (13 июня 2016 года, цена на кукурузу [онлайн, получено 13 июня 2016 года] взято из Интернета:

https://www.ams.usda.gov/market-news/livestock-grain-market-news-publications) (Расчет: $185,04/мт×345 ммт×5%×33%). Подобным же образом предлагаемое изобретение могло бы обеспечить 5%-ное повышение урожайности риса, что при занятии 10% наличных площадей по большей части на высокопродуктивной земле дало бы во всемирном масштабе годовой доход 1,5 миллиарда долларов США. Этот расчет базируется на мировом объема производства риса в 746 миллионов метрических тонн (ммт) (GeoHive (2016) [онлайн] World: Производство риса в метрических тоннах, получено на дату 20 июня 2016 года. Взято из Интернета: http://www.geohive.com/charts/ag_rice.aspx),

а цена риса на зерновой бирже 408,91 за метрическую тонну (мт) (цена на рис-сырец на зерновой бирже в мае 2016 года [онлайн], получено из Интернета 23 июня 2016 года. Взято из Интернета:

http://www.indexmundi.com/commodities/?commodity=rice&months=60) (Расчет: $408,91/мт×746 ммт×5%×10%).

Краткое описание прилагаемых графических материалов

[0015] На фиг. 1 представлена фотография початка кукурузы, полученного от гибрида Н2 и опыленного пыльцой от донора пыльцы Р2, как описывается в Примере 2. Фотография является черно-белой. На цветной версии этой фотографии можно видеть, что более светлые зерна имеют желтую окраску, а более темные имеют пурпурный цвет. Этот початок демонстрирует успешное перекрестное опыление, имевшее место по всему початку. Самоопыление дало светлые зерна, а перекрестное опыление - темные. Этот початок позволяет определить разницу в урожайности для этих двух типов опыления.

[0016] На фиг. 2 представлена фотография початка кукурузы, полученного от гибрида Н2 и опыленного пыльцой от донора пыльцы Р2, как описывается в Примере 2. Фотография является черно-белой. На цветной версии этой фотографии видно, что более светлые зерна имеют желтую окраску, а более темные имеют пурпурный цвет. Этот початок демонстрирует успешное перекрестное опыление, имевшее место по всему початку. Самоопыление дало светлые зерна, а перекрестное опыление - темные, при этом можно видеть, что доля зерен, полученных в результате перекрестного опыления выше, чем в початке, изображенном на фиг. 1. Этот початок позволяет определить разницу в урожайности для этих двух типов опыления.

[0017] На фиг. 3 представлена фотография початка кукурузы, полученного от гибрида Н2 и опыленного пыльцой от донора пыльцы Р2, как описывается в Примере 2. Фотография является черно-белой. На цветной версии этой фотографии можно видеть, что более светлые зерна имеют желтую окраску, а более темные имеют пурпурный цвет. Самоопыление дало светлые зерна, а перекрестное опыление - темные. Этот початок демонстрирует очень высокую степень перекрестного опыления (более 85%).

Краткое описание предлагаемого изобретения

[0018] Предметом предлагаемого изобретения является способ производства коммерческой зерновой продукции любого растительного вида путем целенаправленного перекрестного опыления зернового растения пыльцой растения с отличающимся фоновым генотипом. Предлагаемый способ обеспечивает повышение урожайности за счет эффекта гетерозиса, иначе называемого ксения-эффектом. Этот способ имеет дополнительное преимущество, состоящее в возможности изменять характеристики зерна, в том числе его содержание и состав.

[0019] Предметом предлагаемого изобретения является также способ повышения уровней самоопыления и (или) сибс-опыления при коммерческом производстве зерновой продукции, содержащий операцию целенаправленного нанесения пыльцы назначенного мужского родительского растения (с тем же фоновым генотипом, что и фоновый генотип назначенного женского родительского растения) на назначенное женское родительское развитие один или более раз. Во время целенаправленного нанесения пыльцы назначенное женское родительское растение находится в таком состоянии, когда его женские репродуктивные компоненты готовы принять пыльцу. Что касается мужских репродуктивных компонентов этого назначенного женского родительского растения, то во время такого целенаправленного нанесения пыльцы они могут быть как способны, так и не способны к испусканию пыльцы. В случае, когда эти мужские репродуктивные компоненты испускают пыльцу, некоторые женские репродуктивные компоненты получат целенаправленно наносимую пыльцу назначенного мужского родительского растения, в то время как другие могут получить собственную пыльцу или пыльцу растущих по соседству растений - потомков тех же родителей, результатом чего станет общее увеличение успешных событий опыления с уменьшением, тем самым, генетического загрязнения по причине нежелательного перекрестного опыления из посторонних источников.

[0020] Одним из вариантов осуществления предлагаемого изобретения является способ увеличения размера зерна и изменения характеристик зерна, в том числе его содержания и состава путем специального перекрестного опыления. Может быть изменено, например, содержание в зерне масла, белка или крахмала, а также могут быть изменены конкретные составляющие содержащихся в зерне масла, белка или крахмала. Этот способ обеспечивает возможность принимать в реальном времени производственные решения, связанные с решением конкретных проблем во время опыления, и обеспечивают для сельхозпроизводителя возможность решать производственные проблемы в поле. Во время целенаправленного нанесения пыльцы назначенное женское родительское растение находится в состоянии, когда его женские репродуктивные компоненты готовы принять пыльцу. Что касается мужских репродуктивных компонентов этого назначенного женского родительского растения, то во время такого целенаправленного нанесения пыльцы они могут быть как способны к испусканию собственной пыльцы, так и не способны к этому. В случае, когда эти мужские репродуктивные компоненты испускают пыльцу, некоторые женские репродуктивные компоненты получат целенаправленно наносимую пыльцу назначенного мужского родительского растения, в то время как другие могут получить собственную пыльцу или пыльцу растущих по соседству растений - потомков тех же родителей. В случае, когда мужские репродуктивные компоненты назначенного женского родительского растения не испускают пыльцу, большинство его женских репродуктивных компонентов получат целенаправленно нанесенную пыльцу назначенного мужского родительского растения с отличающимся фоновым генотипом, результатом чего станет эффект гетерозиса, или ксения-эффект, сопровождающийся увеличением размеров зерна (семени), а также целенаправленным изменением содержания или состава зерна.

[0021] Оба эти способа могут быть полезны также для уменьшения генетического загрязнения зерна, обусловленного перекрестным опылением из нежелательного источника пыльцы. Кроме того, чтобы обеспечить как повышение урожайности зерновой культуры и размер зерна, так и изменение характеристик зерна, эти способы могут быть скомбинированы.

[0022] Эти способы применимы к широкому диапазону растений, в том числе (но не только) к кукурузе, сое, рису, подсолнечнику, каноле, сорго, хлопчатнику, ячменю и просу американскому. Нанесение пыльцы назначенного мужского родительского растения может быть выполнено с помощью автоматических средств, механических средств, средств создания повышенного давления, средств создания пониженного давления, ручных средств, полуавтоматических средств или комбинаций вышеперечисленных средств. Кроме того, для опыления может быть взята предварительно консервированная либо свежая пыльца мужского родительского растения, назначенного в качестве источника пыльцы. Эта пыльца может быть взята из одного или более следующих источников: на поле, в ростовой камере, в вегетационном домике, в теплице, в теневом домике, в арочной теплице, в установке для вертикального выращивания культур или в гидропонной установке. Консервированная пыльца может быть получена с помощью любых средств, позволяющих пыльце сохранить жизнеспособность, такое консервирование может быть обеспечено с помощью различных форм охлаждения или замораживания, включая заморозку, криоконсервирование, сушку вымораживанием, хранение в жидком азоте и т.д. Кроме того, пыльца, как свежая, так и консервированная, может быть собрана с источника с измененным циркадным ритмом, с источника с нормальным циркадным цветением, но у которого при этом испускание пыльцы упомянутыми мужскими репродуктивными компонентами упомянутого назначенного женского родительского растения задержано, или же с такого источника, у которого упомянутым мужским репродуктивным компонентам назначенного женского родительского растения позволено испускать пыльцу без задержки. Пыльца, свежая или консервированная, может быть взята из одного или большего количества источников и перед нанесением может быть скомбинирована с пыльцой из других источников.

[0023] Кроме того, предлагаемым изобретением предусмотрено также создание способа увеличения производства зерновой продукции. Этот способ предусматривает операцию целенаправленного нанесения специально отобранной пыльцы из генетически неродственного источника и обеспечивает возможность принимать в реальном времени конкретные агрономические решения при выборе генетически неродственных источников. Данный способ обеспечивает возможность максимизации характеристик семян в любых конкретных условиях окружающей среды или в зависимости от потребностей рынка для любой культуры, представляющей интерес. Например, в одном из вариантов осуществления предлагаемого изобретения специально выбранную пыльцу получают из источников, обеспечивающих нанесение пыльцы, оптимальное с точки зрения условий окружающей среды, включая как абиотические, так и биотические факторы среды. В другом варианте осуществления предлагаемого изобретения специально выбранную пыльцу получают из источника, обеспечивающего нанесение пыльцы, оптимальное с точки зрения показателей продуктивности растения (например, показателей, полученных при испытаниях на урожайность), или же с точки зрения цен на бирже и на рынке. Еще в одном варианте осуществления предлагаемого изобретения специально выбранная пыльца воздействует на такие характеристики зерновой продукции, собранной с женского растения, как содержание и состав зерна, в том числе (но не только) содержание и состав масла в зерне, содержание и состав крахмала в зерне и содержание и состав белка в зерне.

[0024] Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, назначенные женские родительские растения могут быть либо с мужской стерильностью, либо с мужской фертильностью, и нанесение пыльцы может осуществляться до того, как начнет испускаться собственная пыльца назначенного женского родительского растения, или же в то же время, когда это растение восприимчиво к собственной пыльце или пыльце соседних растений с тем же генотипом. Кроме того, предлагаемый способ может предусматривать использование мужских растений - источников специфической пыльцы, оптимальных с точки зрения условий окружающей среды или рыночных тенденций и обеспечивающих получение семян с более ценными конкретным составом (то есть, крахмалистостью, маслянистостью), а также такими качествами, как засухоустойчивость, переносимость затопления и т.д. Кроме того, пыльца может быть взята как из одного источника, так и из совокупности источников, чтобы гарантировать разные комбинации признаков у семян.

Подробное описание предлагаемого изобретения

[0025] Далее следует подробное описание варианта осуществления предлагаемых технологии и способов, обеспечивающих повышение урожайности зерновых культур и изменения размеров, содержания и состава зерна (семени). Такие технология и способы могут быть использованы в отношении любых растений, от которых желательно получить зерновую продукцию. Для облегчения обсуждения и понимания в дальнейшем подробном описании предлагаемого изобретения оно будет часто иллюстрироваться на примере его применения к кукурузе. Должно быть понятно, что предлагаемые технология и способы могут быть применены к любым растениям, и кукуруза или другие конкретно называемые растения привлекаются только для иллюстрации, и ими объем предлагаемого изобретения не ограничен. Предлагаемая технология может быть использована в отношении любого растения - источника зерновой продукции, включая гибриды, не гибриды, растения с мужской стерильностью и растения с мужской фертильностью.

[0026] Зерновую продукцию производят с разными целями, в том числе для употребления ее в пищу людьми, для скармливания животным, для промышленного использования, для нового сева и с исследовательскими целями. При производстве зерновой продукции стремятся в первую очередь обеспечить высокую урожайность и высокое качество зерновой продукции. Компании по производству семян вкладывают миллиарды долларов в исследования в стремлении разработать растения с набором генов, лучшим с точки зрения повышения урожайности. Независимо от конечного использования зерновой продукции, ее производство зависит от надлежащего опыления назначенного женского родительского растения пыльцой назначенного мужского родительского растения в надлежащее время.

[0027] Синхронность готовности пыльцы назначенного мужского родительского растения и восприимчивости к ней назначенного женского родительского растения названа здесь репродуктивной синхронностью. Репродуктивная синхронность легко достигается при самоопылении или при опылении соседними растениями того же вида. Однако гораздо труднее добиться репродуктивной синхронности между разными вариететами, которые могут созревать в разное время или в зависимости от разных значений температуры, а также других факторов окружающей среды. Производитель зерновой продукции может быть заинтересован в опылении сельскохозяйственной культуры пыльцой от вариетета, который мог бы придать конечной продукции конкретные характеристики. Обычно этого невозможно достичь, если не соблюдены следующие условия: (1) производитель в начале вегетационного периода знает, пыльцой какого именно вариетета он желает воспользоваться для опыления, (2) вариететы испускают пыльцу и восприимчивы к пыльце в одно и то же время, и (3) вариететы высажены в тесной физической близости друг к другу. Таким образом, если производитель, например, имеет опыт засухи и хотел бы провести опыление пыльцой вариетета, который демонстрирует хорошую урожайность даже в засушливые периоды, то он не сможет этого сделать, если только это не такой вариетет, который уже выбран для высадки и выращивания и уже находится у него на поле, а также испускает пыльцу в подходящее время. Обычно этот производитель не проводит опыления сельскохозяйственной культуры пыльцой от вариетета, который мог бы помочь в преодолении проблем с низкой урожайностью из-за засухи и имеет отличающийся от уже выращиваемого вариетета период созревания. Предлагаемое изобретение может преодолеть все три этих потенциальных барьера для репродуктивной синхронности, обеспечивая, тем самым, для производителя более широкий выбор пыльцы, а также возможность принятия производственных решений в реальном времени.

[0028] Синхронное опыление в пределах початка и между початками особо важно для кукурузы, потому что это, как было установлено, способствует улучшению завязывания зерен, что является решающим фактором повышения урожайности. Каркова (Carcova et al. (2000) Crop Sci. 40: 1056-1061) показал, что синхронное опыление открывшихся пестиков на верхушечных и предверхушечных початках через пять дней после выметывания пестичных столбиков дает увеличение количества зерен на растение.

[0029] Тесная синхронность цветения мужских и женских цветков и минимальная плотность пыльцы на открывшийся пестик - вот фундаментальные требования для достижения высоких урожаев семенной продукции и генетической чистоты. В условиях сниженной жизнеспособности пыльцы, в случаях запаздывания фазы выметывания пестичных столбиков относительно испускания пыльцы или высокого риска близкородственного скрещивания мужских и женских растений на восприимчивые пестики может наноситься ранее собранная и консервированная пыльца или свежая пыльца в течение периода от семи до десяти дней, благодаря чему гарантировано завязывание семян. Высокий риск близкородственного скрещивания имеет место при идеально синхронном развитии мужских и женских цветков (то есть, когда пик испускания пыльцы мужскими цветками совпадает с пиком выметывания пестичных столбиков у женских цветков), так что пыльцевые зерна произведут успешное опыление, результатом которого станет оплодотворение. Для производителей семян такое совпадение пиков имеет место, когда 50% мужской популяции начинают испускать пыльцу в тот же день, когда у 50% женской популяции начинается выметывание пестичных столбиков.

[0030] Под производственным решением, принимаемым в реальном времени, следует понимать решение, которое принято в период вегетации и созревания сельскохозяйственной культуры, а не решение, принятое на стадии планирования до высадки этой сельскохозяйственной культуры. Производители зерновой продукции выбирают, какой вариетет зерновой культуры выращивать в каждый производственный сезон, на основе характеристик, являющихся оптимальными для местного климата, почвы, условий вегетации и других факторов. После того как решение принято и сельскохозяйственная культура высажена, сельхозпроизводители в течение периода вегетации культуры принимают решения в реальном времени, такие как, например, когда проводить опрыскивание для подавления сорняков, лечения болезней или борьбы с насекомыми-вредителями. Такие решения приходится принимать по мере вегетации культуры в качестве реакции на конкретные условия и проблемы, возникающие в процессе вегетации выращиваемой сельскохозяйственной культуры. Однако до создания предлагаемого изобретения производители зерновой продукции не могли принимать в реальном времени такое решение, как выбор пыльцы, потому что пыльца, участвующая в производстве зерновой продукции, поступает от растений, которые уже находятся на поле. Таким образом, выбор пыльцы обычно уже сделан во время выбора вариетета для выращивания, еще до высадки растений, без какой-либо информации о конкретных условиях, которые могут возникнуть позже, в течение сезона вегетации, и повлиять на урожай и сохранность зерновой продукции.

[0031] Предметом предлагаемого изобретения является способ производства зерновой продукции, содержащий операции сбора, хранения и доставки пыльцы мужских растений к женским растениям (здесь и далее под доставкой пыльцы следует понимать ее доставку к репродуктивным компонентам назначенного женского растения и нанесение на них этой пыльцы). В отрасли известны некоторые способы сбора пыльцы. Например, в патенте США №4922651 раскрыто устройство для осуществления или повышения эффективности опыления растений.

[0032] Кроме того, в отрасли известны некоторые способы доставки пыльцы, в частности, из патента США №4922651. Кроме того, в отрасли известны различные способы хранения пыльцы. Например, в патенте США №5596838, в котором описаны способ и устройство для подготовки пыльцы к криохранению, говорится, что пыльца может храниться в течение месяцев, оставаясь жизнеспособной. Хотя в отрасли известны способы доставки пыльцы, эти способы ни прямо, ни косвенно не указывают и не мотивируют пользователя на целенаправленную доставку пыльцы таким образом, чтобы сельхозпроизводитель получил преимущество от эффекта гетерозиса с обеспечением также возможности для повышения урожайности принимать решения в реальном времени с учетом текущих условий. Результатом предлагаемого изобретения является опыление, осуществляемое до активного периода, когда растение могло бы подвергнуться самоопылению и (или) риску опыления из нежелательного источника пыльцы, или же в течение активного периода, когда растение подвергается самоопылению и (или) опылению из другого источника пыльцы, с повышением, тем самым, эффективности опыления. Предлагаемое изобретение повышает эффект гетерозиса и возможность принятия решений в реальном времени. Предлагаемое изобретение не требует использования мужской стерильности или изоляции, хотя и то и другое может быть использовано без выхода за пределы объема предлагаемого изобретения.

[0033] Как говорилось выше, предлагаемое изобретение применимо к общей практике выращивания растений для производства семян, которые будут всходить и становиться семенными растениями, производящими зерновую продукцию, которая может быть продана на зерновой элеватор или другим покупателям, использована для выкармливания животных или в исследовательских программах. Однако вместо того, чтобы полагаться на самоопыление или опыление соседними растениями, как это имеет место в настоящее время, предлагаемое изобретение обеспечивает лучшую альтернативу путем повышения степени успешного самоопыления и (или) сибс-опыления и (или) путем изменения уровня перекрестного опыления целенаправленным нанесением пыльцы мужских растений на женские растения в конкретное время. В контексте настоящей заявки признаки «целенаправленное», «целенаправленно» в отношении опыления означает специальное нанесение пыльцы (на женские репродуктивные компоненты растения) способом, не включающим естественное опыление ветром, насекомыми или под действием других природных факторов. Целенаправленно нанесенная пыльца - это пыльца, нанесенная на растение в результате преднамеренной человеческой деятельности, человеческого решения или человеческого вмешательства, и может быть нанесена вручную или другими средствами. Одним из примеров целенаправленного опыления является «предписывающее» опыление, которое состоит в использовании пыльцы для реагирования на конкретные потребности или условия в отрасли. Какая конкретная пыльца должна быть использована, и когда должно осуществляться ее целенаправленное нанесение, зависит от потребности или от условий, которые должны быть учтены.

[0034] Приобретение пыльцы назначенного мужского родительского растения (далее для краткости может иногда называться просто «мужская пыльца»), требуемой для получения семян, которые будут использованы для производства зерновой продукции, может быть осуществлено через банк пыльцы. Банк пыльцы - это источник хранимой пыльцы, ранее собранной из одного или большего числа источников пыльцы и хранимой в таких условиях, что обеспечена ее жизнеспособность. Растения, которые были использованы в качестве источника пыльцы для такого банка пыльцы, могли быть выращены и доведены до созревания для сбора пыльцы в любых условиях, в частности (но не только), в поле, в ростовой камере, в вегетационном домике, в теплице, в теневом домике, в арочной теплице, в установке для вертикального выращивания культур, в гидропонной установке и т.д. Пыльца из банка пыльцы может иметь разное происхождение. Например, согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, свежая пыльца может быть взята у мужских растений, выращенных в контролируемой среде, у которых циркадный ритм опережает женские растения, выращиваемые в естественных условиях в поле, на временной интервал от двух до восьми часов. Этот способ далее будет описан более подробно. Согласно другому варианту осуществления предлагаемого изобретения, пыльца, которая хранится в банке пыльцы, может быть консервированной пыльцой, собранной за дни, недели, месяцы или годы до ее выдачи из банка для целей опыления. Консервированная пыльца может быть получена любыми способами консервирования, обеспечивающими сохранение ее жизнеспособности, например (но не только), с помощью охлаждения или замораживания, в том числе (но не только) путем заморозки, криоконсервации, сушки вымораживанием, выдерживания в жидком азоте.

[0035] Согласно одному или большему числу вариантов осуществления предлагаемого изобретения, пыльца может быть получена из пыльниковой студии. Пыльниковая студия обеспечивает оптимальные условия произрастания для репродуктивных тканей мужских растений любых видов или вариететов. Эти ткани (например, метелки кукурузы) срезают с растений, выращиваемых в стандартных условиях на открытом воздухе, например, в поле, или же в контролируемых условиях, например, в теплице или в ростовой камере. Представляется предпочтительным такое решение, при котором эти ткани срезают с растения, когда оно начинает испускать пыльцу, и помещают в пыльниковую студию. Затем эта ткань может культивироваться в питательной среде, обеспечивающей дальнейший рост. В этой пыльниковой студии может циклически повторяться по меньшей мере одно из следующего: специальное освещение, температура и (или) влажность, обеспечивая возможность дальнейшего роста ткани. Этот рост может регулироваться, то есть, его можно ускорять или замедлять, регулируя тем самым продолжительность состояния наличия пыльцы. При таком решении обеспечена возможность по запросу иметь пыльцу для опыления, которое может быть осуществлено в любое время дня или ночи. Это имеет практическую ценность для внедрения в части опыления нескольких выгодных и ценных технологий, относящихся к производству семян и зерновой продукции. Это решение обеспечивает также концентрированные источники пыльцы для консервирования. Любая пыльца, собранная в пыльниковой студии и консервированная, могла бы быть использована таким же образом, как и свежесобранная пыльца, но в течение долгого времени после того, как свежая пыльца, которая не была консервирована, погибла (R.I. Greyson (1994) Maize inflorescence culture, p. 712-714. In: M. Freeling, V. Walbot (eds), The Maize Handbook; Springer-Verlag, New York; J.B. Schoper, R.J. Lamber, B.L. Vasilas, and M.E. Westgate (1987) Plant factors controlling seed set in maize. The influence of silk, pollen, and ear-learf water status and tassel heat treatment at pollination, Plant Phyiol. 83: 121-125).

[0036] Механическая доставка пыльцы назначенного мужского родительского растения может быть осуществлена, как только назначенные женские родительские растения станут восприимчивы к пыльце, что всегда имеет место до того, как в любой день собственная пыльца этих назначенных женских родительских растений станет жизнеспособной, благодаря чему обеспечено успешное перекрестное опыление всех восприимчивых к пыльце женских растений. Иначе говоря, женские репродуктивные компоненты назначенного женского растения стали открыты для принятия пыльцы от назначенного мужского растения до того, как мужские репродуктивные компоненты того же женского растения стали готовы к производству пыльцы. У кукурузы женские растения восприимчивы к пыльце, когда пестики открыты для приема пыльцы. Пестики восприимчивы к пыльце до выхода початка из листовой обвертки и остаются восприимчивыми в течение многих дней после выхода из листовой обвертки. Кроме того, у кукурузы существует две возможности: пыльца может испускаться до выхода пестиков (протандрия), или же пыльца может испускаться после выхода пестиков (протогиния). И в том и в другом случае пестики будут восприимчивы к пыльце до испускания пыльцы в данный день. Предлагаемое изобретение применимо в обоих этих случаях. Кроме того, бывают ситуации, когда пестики восприимчивы к пыльце на протяжении всего дня в течение приблизительно семи дней. Соответственно, пыльцу можно целенаправленно наносить любое количество раз, например (но не только), раз в день, два раза в день, или же в непрерывном режиме. В альтернативном варианте механическая доставка пыльцы назначенного мужского родительского растения может осуществляться, пока назначенные женские родительские растения к ней восприимчивы, а также в период, когда собственная пыльца назначенного женского родительского растения становится жизнеспособной в какой-либо день, в результате чего обеспечена возможность как самоопыления, так и опыления пыльцой назначенного мужского родительского растения. Если не прибегать к мужской стерилизации, например, у кукурузы, то собственная пыльца женского родительского растения обычно начинает испускаться в середине утренних часов и продолжается до последних утренних часов или до ранних полуденных часов, после чего вся собственная пыльца женского родительского растения находит восприимчивые женские репродуктивные компоненты и прорастает, обеспечивая успешное самоопыление, или же умирает в течение четырех часов или меньше, если это не удается (Luna V. et al. (2001) Crop Sci. 41 (5): 1551-1557). Таким образом, у женского растения кукурузы каждый день есть окно, в течение которого к нему может доставляться пыльца назначенного мужского родительского растения и в течение которого собственная пыльца женского растения не испускается или не является жизнеспособной, или же имеет место комбинация самоопыления и перекрестного опыления. Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность осуществить перекрестное опыление почти всех жизнеспособных женских репродуктивных компонентов до того или после того, как появится жизнеспособная собственная пыльца назначенного женского родительского растения, в зависимости от предпочтений производителя зерновой продукции и ситуации на поле.

[0037] Соответственно, один из аспектов предлагаемого изобретения - это график доставки пыльцы к женским репродуктивным компонентам назначенных женских родительских растений. У всех сельскохозяйственных культур есть ежедневный цикл в течение окна опыления (период времени, в течение которого женские репродуктивные компоненты опыляемого растения восприимчивы к пыльце и в течение которого опыление может быть успешным), в котором женские растения созревают и растут относительно непрерывно, в то время как у мужских растений цикл другой, в котором пыльца становится жизнеспособной и испускается, или же раскрываются пыльники, что начинается в середине утра и заканчивается в конце утреннего времени или в раннее полуденное время. В некоторых случаях собственная пыльца назначенных женских родительских растений может стать жизнеспособной до того, как женские репродуктивные компоненты этих растений станут фертильными (готовыми к оплодотворению), но всегда наступит первое утро, в которое эти женские репродуктивные компоненты станут фертильными до того, как собственная пыльца этих растений начнет испускаться в этот день. Поэтому собственная пыльца женских растений, которая могла быть испущена днем раньше, давно уже не жива и стала нежизнеспособной до того, как женские репродуктивные компоненты стали фертильными на следующее утро. Поэтому период от ранних утренних часов до середины утра является идеальным для нанесения пыльцы назначенных мужских родительских растений с целью перекрестного опыления всех женских растений до того, как начнет испускаться их собственная пыльца, хотя возможен и такой вариант, когда пыльцу для перекрестного опыления перед испусканием женскими растениями собственной пыльцы наносят в течение нескольких дней, или же несколько раз в день, или же в непрерывном режиме и даже в условиях испускания собственной пыльцы, чтобы обеспечить вероятность повышения процента случаев гетерозиса и максимизировать урожайность зерновой культуры. Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, доставка пыльцы может осуществляться в шесть часов утра (6.00). Но и при доставке пыльцы в любое время суток предлагаемое изобретение обеспечивает большое преимущество по сравнению с традиционными технологиями.

[0038] При доставке пыльцы в надлежащее время в течение окна фертильности растения может быть достигнуто адекватное опыление. Предлагаемое изобретение впервые обеспечивает эффективное производство зерновой продукции без того, чтобы полагаться только на самоопыление или опыление пыльцой соседних растений, что во время опыления может быть нежелательно ввиду стрессов, причиняемых сельскохозяйственной культуре биотическими и абиотическими факторами окружающей среды. Источники нежелательной биологически совместимой пыльцы далее для краткости могут называться просто «нежелательной пыльцой». Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность целенаправленного опыления, так что когда нежелательная пыльца начинает испускаться, все фертильные назначенные женские родительские растения уже опылены из выбранного источника пыльцы, и нежелательная пыльца, не найдя готовых к оплодотворению женских растений, умирает через короткий период времени, зависящий от вида растения и условий окружающей среды (Luna V. et al. (2001) Crop Sci. 41 (5): 1551-1557; Stanley, R.G. & Linskens, H.F. (1974) Pollen: Biology, Biochemistry, Management. Springer-Verlag, Heidelberg.; Shivanna, K.R. (2003) Pollen Biology and Biotechnology. Science Publishers, Inc.), благодаря чему удается избежать опыления назначенных женских родительских растений из источника нежелательной пыльцы. Это было бы применимо к ситуациям, когда нежелательной пыльцой считается собственная пыльца или пыльца соседних растений. Разные виды имеют разный период сохранения жизнеспособности пыльцы, на который могут повлиять условия окружающей среды (Dafni, A. & D. Firmage (2000) Plant Systemics and Evolution 222 (1): 113-132). Повышенная влажность и пониженные температуры могут продлевать период сохранения жизнеспособности пыльцы. Например, было установлено, что у риса (Oryza sativa) период сохранения жизнеспособности пыльцы составляет всего четыре минуты (Koga et al. (1971) Cytologia 36: 104-110), или на протяжении до 20 минут погибает 50% пыльцы (Khatum, S. and T.J. Flowers (1995) J. Exp.Bot. 46: 151-154). В противоположность этому было установлено, что пыльца выращиваемого в поле редиса (Raphanus sativas) сохраняет жизнеспособность на протяжении пяти дней (Siddiqui, В.А. (1983) Acta Bot. Ind. 11: 150-154).

[0039] Возможность доставлять жизнеспособную пыльцу по запросу с целью осуществления своевременного опыления восприимчивых пестиков снимает ряд ограничений, общих для производства зерновой продукции в масштабе поля. А именно, использование предлагаемого изобретения решает проблему низких уровней производства пыльцы и устраняет проблемы, вызываемые недостаточной синхронностью цветения мужских и женских цветков.

[0040] Пыльца назначенного мужского родительского растения может быть доставлена к женским репродуктивным компонентам назначенного женского родительского растения различными способами, в том числе (но не только) полностью вручную, вручную с использованием малогабаритного ручного устройства для полуавтоматического рассеивания пыльцы, с помощью полевых приводимых в движение технических средств, оснащенных механизмами для рассеивания пыльцы или с применением полностью автоматического рассеивания пыльцы с помощью самоходных и (или) руководимых человеком аппаратов, таких как беспилотные летательные аппараты (дроны), оснащенные установленным на них устройством для рассеивания пыльцы, при этом рассеивание пыльцы осуществляется автоматическими средствами, в том числе (но не только) механическими средствами, средствами создания повышенного давления, средствами создания пониженного давления, или же пневматическими средствами. Использование дронов было бы особым новшеством и представляется практичным с точки зрения осуществления способа согласно предлагаемому изобретению. Небольшие дроны, использование которых не требует административного регулирования, можно было бы направлять для распыления пыльцы прямо над назначенными женскими родительскими растениями с помощью системы GPS. Авторами предлагаемого изобретения было подсчитано, что при любом из таких способов доставки пыльцы для успешного перекрестного опыления одного гектара (2,47 акра), засаженного женскими родительскими растениями кукурузы достаточно приблизительно 140 г (5 унций) мужской пыльцы, доставляемой в течение трех-четырех дней подряд. Эта оценка основывается на литературе, указывающей, сколько пыльцевых зерен кукурузы приходится на 1 мг, и оценивающей что для успешного опыления на один пестик должно быть от трех до пяти пыльцевых зерен (от трех до четырех пыльцевых зерен на пестик -это общепринятое в среде специалистов количество, необходимое для обеспечения успешного опыления (М.Е. Westgate, J. Lizaso, W., Batchelor (2003) Quantitative relationships between pollen shed density and grain yield in maize, Crop Science 43: 934-942; M. Uribelarrea, J. Carcova, M.E. Otegui, M. Westgate (2002) Pollen production, pollination dynamics, and kernel set in maize, Crop Science 42: 1910-1918).). См, например, Porter (1981) Environ. Health Perspectives 37: 53-59; Miller (1982) In Maize for Biological Research. W.F. Sheridan (ed.), pp.279-293). Время доставки пыльцы, требуемое количество пыльцы и количество дней, в течение которых следует доставлять пыльцу, могут регулироваться необходимым образом в зависимости от обстоятельств, таких как тип сельскохозяйственной культуры и метеорологические условия (то есть, доминирующая высота насаждения, плотность стояния растений, частотность дождей и их обилие, скорость и направление ветра и т.д.). Предлагаемый способ может быть приспособлен, например, для сои, у которой период опыления более долгий по сравнению с кукурузой. Кроме того, ожидается, что количество пыльцы, требующейся для опыления с целью получения гибридных семян, может быть сокращено за счет эффективности упоминавшихся выше способов доставки пыльцы. По оценке авторов предлагаемого изобретения, при применении этих более эффективных способов использование пыльцы может быть сведено к тысячной (1/1000) или еще меньшей доле от того количества пыльцы, которое производится сейчас в отрасли производства гибридных семян. Проведенные авторами предлагаемого изобретения исследования указывают, что для обеспечения полного набора зерен кукурузы на один пестик требуется приблизительно 3000 пыльцевых зерен, испускаемых на поле кукурузными метелками. Исследования по опылению вручную и тесты «открытое поле» показали, что для обеспечения полного набора зерен кукурузы достаточно от трех до четырех пыльцевых зерен на один пестик. (М.Е. Westgate, J. Lizaso, W., Batchelor (2003) Quantitative relationships between pollen shed density and grain yield in maize, Crop Science 43: 934-942; M. Uribelarrea, J. Carcova, M.E. Otegui, M. Westgate (2002) Pollen production, pollination dynamics, and kernel set in maize, Crop Science 42: 1910-1918). Результатом этого является вывод о достаточности тысячной (1/1000) доли от того количества пыльцы, которое производится сейчас в отрасли производства гибридных семян.

[0041] Специалист соответствующего профиля может легко модифицировать упомянутые выше варианты, если в том возникнет необходимость. Например, в некоторых обстоятельствах может представлять преимущество проведение опыления в ночное время. В других случаях может оказаться выгодно проводить опыление на протяжении всего дня. У кукурузы эффективность опыления повышается, когда здоровье пестика находится на оптимальном уровне и его жизнеспособность максимальна, что часто совпадает с условиями, когда нет жары и высока влажность воздуха, - это значит, что пестики не подвергнутся быстрому высыханию. По этим погодным признакам производитель кукурузы имеет возможность так выбрать время для опыления кукурузы, чтобы здоровье пестика было на оптимальном уровне и его жизнеспособность была максимальной.

[0042] Предлагаемое изобретение может быть применено к любой сельскохозяйственной культуре с целью повысить или обеспечить производство зерновой продукции. Оно применимо в любых окружающих средах, в том числе (но не только) в идеальных или целевых средах для выращивания, в средах внесезонного выращивания или в средах контролируемого выращивания (например, в теневом домике, в теплице, в вегетационном домике, в арочной теплице, в ростовой камере, в установке для вертикального выращивания культур, в гидропонной установке, в аэропонной установке и т.д.). Нанесение пыльцы назначенных мужских родительских растений на женские репродуктивные компоненты назначенных женских родительских растений может быть выполнено, как только последние станут восприимчивы к опылению и независимо от жизнеспособности собственной пыльцы женских родительских растений или другой нежелательной пыльцы. Предлагаемое изобретение может быть использовано также для повышения эффективности приемов, применяемых в настоящее при производстве зерновой продукции даже при наличии всех обычных обстоятельств, обеспечивая таким образом повышение урожая зерновой продукции в проблемных ситуациях.

[0043] Согласно одному из вариантов своего осуществления, предлагаемое изобретение может быть использовано для недопущения или снижения потерь, вызываемых засухой. Это представляет преимущество для всех, кто занят в этой отрасли сельскохозяйственного производства, включая как непосредственных производителей, так и страховщиков. Во время засухи растения переживают стресс.В состоянии стресса растение часто производит только мужские репродуктивные компоненты. Соответственно, есть пыльца, но нет женских репродуктивных компонентов, которые могли бы ее принять. Иногда растение производит женские репродуктивные компоненты позже, однако в это время пыльца уже нежизнеспособна и к опылению не пригодна. При использовании способа согласно предлагаемому изобретению к переживающим стресс растениям при готовности их женских репродуктивных компонентов к опылению пыльца может быть доставлена из банка пыльцы или из контролируемой среды, и тем самым хотя бы до некоторой степени можно обеспечить урожай зерновой продукции.

[0044] Кроме того, согласно еще одному варианту осуществления предлагаемого изобретения, в отношении пыльцы, предназначенной для опыления, исследовательские или производственные решения могут приниматься в реальном времени, чтобы обеспечить получение зерновых растений с характеристиками, которые желательны производителю, в том числе (но не только) повышенная масличность зерен, пониженная масличность зерен, повышенная крахмалистость зерен, пониженная крахмалистость зерен, повышенная засухоустойчивость, устойчивость к затоплению или другим факторам избыточной влаги, повышенная продуктивность в условиях высоких температур, повышенная продуктивность в условиях низких температур, повышенная устойчивость к грибковым заболеваниям, повышенная устойчивость к воздействию насекомых, повышенная урожайность, повышенная опыляемость в случае несинхронности репродуктивных циклов мужских и женских репродуктивных компонентов. Любая из этих целей достигается выбором конкретно оптимизированного для максимизации урожая в соответствующих условиях источника пыльцы сельскохозяйственной зерновой культуры, представляющей интерес. Располагая спектром источников пыльцы, хранимой в банке пыльцы, пользователь имеет возможность принимать исследовательские или производственные решения этого типа непосредственно перед нанесением пыльцы на женские репродуктивные компоненты опыляемого растения. В частности, пыльцу назначенного мужского родительского растения можно наносить до того, как начнется самоопыление или возникнут условия для опыления соседними растениями, или же одновременно с самоопылением или потенциальным опылением соседними растениями. Банк пыльцы, из которого производитель берет пыльцу, может содержать источники пыльцы, оптимальной с точки зрения конкретных условий окружающей среды. Кроме того, любая пыльца, используемая в предлагаемом изобретении, включая рассматриваемый вариант его осуществления, может быть взята как из единственного источника, так и из сведенных вместе множества источников.

[0045] В качестве одного из примеров производственного решения, принимаемого в реальном времени, может быть названо использование данных о продуктивности растения, чтобы принять решение о том, какое мужское родительское растение использовать для получения гибрида или производства зерновой продукции. Например, в южном полушарии часто практикуют зимнее производство зерновой продукции вне вегетативных сезонов северного полушария. Часто бывает так, что в южном полушарии поля засаживают до того, как в северном полушарии собрали полные данные о продуктивности растения. Поэтому в южном полушарии решения, касающиеся выращивания растений, часто принимаются на основе неполной информации и (или) с опозданием, результатом чего являются ошибки в отношении выбора растения для выращивания или объемов его выращивания в условиях ограниченных располагаемых площадей. Предлагаемое изобретение обеспечивает для сельхозпроизводителя возможность вырастить назначенные женские родительские растения и затем подождать приблизительно от 45 до 75 дополнительных дней, чтобы принять более информированное решение о том, которое мужское растение использовать для опыления этих женских растений. Производственные решения этого типа были бы применимы также при производстве зерновой продукции, когда производитель зерновой продукции в северном полушарии ждет более полной информации из южного полушария, с тем чтобы решить, которое мужское родительское растение ему использовать.

[0046] Как должно быть понятно специалистам соответствующего профиля, выбор мужской пыльцы, предназначенной для использования при осуществлении способа согласно предлагаемому изобретению имеет большое значение с точки зрения потенциальной выгоды от применения предлагаемого изобретения. Сила и жизнеспособность пыльцы - это факторы, которые необходимо учитывать, наряду с различными генетическими признаками и характеристиками, которыми наделена пыльца. Возможны обстоятельства, когда использование пыльцы с более низкой силой или жизнеспособностью все же является правильным выбором благодаря генетическим признакам, которые будут переданы зерновой продукции, которая будет получена. В таких обстоятельствах, когда известно, что пыльца имеет более низкую силу или жизнеспособность, следует ожидать более скромного прироста урожайности. Такие решения могут быть сделаны сельхозпроизводителем на основе конкретных характеристик зерновой культуры, желаемой зерновой продукции и превалирующих условий в ожидаемое время опыления в виду воздействий окружающей среды и других биологических и небиологических воздействий. Таким образом, возможность выбирать пыльцу во время опыления представляет собой дополнительный значительный фактор выгоды от использования предлагаемого изобретения. В Таблице 1, приводимой ниже, отражены потенциальные выгоды от использования предлагаемого изобретения.

[0047] Как должно быть понятно специалистам соответствующего профиля, раскрываемая предлагаемым изобретением технология может быть применена для модификации перекрестного опыления путем повышения уровня перекрестного опыления (например, с целью повышения эффекта гетерозиса / ксения-эффекта у кукурузы и повышения, тем самым, урожайности поля по производству зерновой продукции), но она может быть использована также для понижения уровня перекрестного опыления и вместо этого сфокусироваться на самоопылении (например, при реализации так называемого органического производства или при производстве зерновой продукции, не связанной с получением генетически модифицированных организмов, чтобы повысить успешность самоопыления и, тем самым, сократить число случаев нежелательного перекрестного опыления). В таком случае предлагаемое изобретение может быть использовано конкретно для недопущения перекрестного опыления путем повышения эффективности самоопыления, способствуя, тем самым, снижению уровня генетического загрязнения из являющихся генетически модифицированными организмами источников нежелательной пыльцы.

[0048] Кроме того, предлагаемое изобретения обеспечивает для сельхозпроизводителя возможность использовать для опыления сельскохозяйственной культуры вариетет, который в естественных условиях не мог бы достичь зрелости или не был бы подходящим донором пыльцы в том климате, в котором работает сельхозпроизводитель. Такой вариетет мог бы иметь превосходные характеристики, которые сделали бы его донором пыльцы для перекрестного опыления, подходящим с точки зрения максимизации урожайности сельскохозяйственной культуры, однако его выращивание в климате, в котором работает сельхозпроизводитель, невозможно, или же в этом климате он не может достичь стадии, на которой он мог бы испускать пыльцу. Предлагаемое изобретение преодолевает это ограничение и обеспечивает для сельхозпроизводителя более широкий диапазон типов пыльцы, из которого можно выбрать идеального кандидата для конкретной сельскохозяйственной культуры и с учетом конкретных стрессов, которым она может подвергаться при приближении времени для опыления.

[0049] Еще одно производственное решение в реальном времени, возможность которого обеспечена предлагаемым изобретением, - это решение о том, какую пыльцу использовать на основе рыночной информации и информации о ценах на товарно-сырьевые ресурсы. Производитель зерновой продукции мог бы иметь в запасе приблизительно от 45 до 75 дней, чтобы понаблюдать за рыночными тенденциями и принять решение, какого мужского родителя использовать из частных рыночных соображений, например, восковидную кукурузу или продовольственную кукурузу, или же на кукурузу желтую зубовидную №2 (на рынке товарного зерна).

[0050] Кроме того, производственные решения в реальном времени могли бы приниматься на основе информации об окружающей среде. Например, производитель зерновой продукции мог знать по опыту о том, цветению предшествует сухой период, и поэтому может выбрать для опыления женских родительских растений пыльцу мужского родителя, о котором известно, что он обладает засухоустойчивостью. Такое решение сокращает процент недоразвития семян из-за стресса, вызванного засухой, с обеспечением, тем самым, повышения урожайности по сравнению с предоставлением гибриду возможности самоопыления при производстве зерновой продукции. Сходная ситуация сложилась бы у сельхозпроизводителя, сталкивающегося с проблемой сельскохозяйственных вредителей, питающихся семенами. В этом случае в качестве источника пыльцы мог бы быть выбран мужской родитель, имеющий ген, придающий сопротивляемость сельскохозяйственным вредителям, питающимся семенами, и защищающий развивающиеся семена, обеспечивая, таким образом, повышение урожайности гибридных семян по сравнению с тем случаем, когда в качестве источника пыльцы был бы использован мужской родитель, который был запланирован первоначально, до того, как возникла проблема, связанная с сельскохозяйственными вредителями, питающимися семенами, или же который был бы выбран в более удобной системе блоков. Информация об окружающей среде, используемая при принятии производственных решений в реальном времени, может включать такие (но не только) абиотические факторы окружающей среды, как засуха, доступность азота или других питательных веществ, колебания влажности и крайняя температура, и такие (но не только) биотические факторы окружающей среды, как вредные насекомые и нематоды, сорняки и заболевания.

[0051] Далее рассматриваются примеры, иллюстрирующие предлагаемое изобретение более подробно и поясняющие, как предлагаемое изобретение может быть осуществлено в отношении кукурузы. В своей основе предлагаемый способ применим к любой сельскохозяйственной культуре с надлежащими модификациями, соответствующими конкретной сельскохозяйственной культуре. Результаты Примеров 1 и 2 были получены в полях в центральной части штата Айова летом 2015 года.

[0052] Пример 1

[0053] Описываемое здесь изобретение было исследовано на практике на одном из полей в центральной части штата Айова, при этом в качестве женского родительского растения использовали имеющийся на рынке гибрид (Н1). Выращивали блоки из 12 рядов (ширина каждого ряда составляла 0,76 м (2,5 фута), общая ширина блока составляла 9,1 м (30 футов)) длиной 13,7 м (45 футов) для каждого гибрида. Один инбредный донор пыльцы (Р1), неродственный Н1, выращивался на расстоянии более 45,7 м (150 футов) от гибридного блока. Этот донор пыльцы представлял собой общедоступную линию из Национальной системы идиоплазмы растений Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США и являлся носителем гена, ответственного за антоцианин в эндосперме зерна. При использовании Р1 в качестве мужского родителя - источника пыльцы в успешности опыления вскоре можно убедиться без помощи оптических приборов по видимой пурпурной окраске зрелых зерен в початке.

[0054] Для практического осуществления предлагаемого изобретения на метелки блока с растениями для производства зерновой продукции (Н1) в период времени от приблизительно 8.15 утра до приблизительно 8.45 утра брызгали воду с целью задержки испускания этими назначенными женскими родительскими растениями собственной пыльцы. По окончании брызгания воды на эти метелки сразу приступали к осуществлению предлагаемого изобретения на практике, для чего из метелок Р1 принудительно брали пыльцу, которую помещали в мешочки. Затем эту пыльцу назначенного мужского родителя без промедления наносили на пестики Н1 вручную, используя хорошо известную в отрасли технологию, заключающуюся в осторожном постукивании по мешочку с пыльцой, чтобы выпустить пыльцевые зерна на пестики. Эти акты опыления совершали до того, как гибриды испускали пыльцу. В производственном блоке Н1 провели 13 актов опыления, направляя пыльцу на пестики растений блока Н1, которые находились в середине блока. Это была имитация случая, когда пыльца могла быть собрана с близлежащего поля от неродственного гибрида кукурузы, помещена в хранилище для кратковременного хранения, а затем взята из хранилища в ранние утренние часы до того, как начнется испускание пыльцы на поле по производству зерновой продукции, засаженном гибридом, используемым в качестве женского родителя. Можно предположить, что на этих початках после сбора урожая большинство желтых зерен, если не все, будут результатом самоопыления растений Н1 в блоке по производству зерновой продукции, в то время как пурпурные зерна на этих початках- это результат перекрестного опыления пыльцой донора пыльцы Р1. Важно отметить, что ручное нанесение пыльцы было очень точным и дозированным, так как на шести соседних початках, на которые пыльцу донора пыльцы Р1 не наносили непосредственно, было найдено только два пурпурных зерна, (см. Таблицу 2). Эти початки и образовавшиеся зерна служили в качестве контрольного образца для измерения базового процента самоопыления в блоке. Поэтому из этих данных можно заключить, что частота самоопыления в середине этого блока гибридов при известных способах производства зерновой продукции близка к 100%. Этот эксперимент воспроизводил тот результат, который можно было бы ожидать от предлагаемого изобретения, если бы пыльца была собрана на близлежащем поле с неродственным кукурузным гибридом, помещена в хранилище для кратковременного хранения, а затем взята из хранилища в ранние утренние часы до того, как естественным образом начнут испускать пыльцу гибридные растения, используемые в качестве женских родителей.

[0055] Результаты, приведенные в Таблице 2, свидетельствуют о том, что предлагаемое изобретение очень эффективно с точки зрения повышения процента перекрестного опыления в области производства зерновой продукции. На 13 початках, на которых предлагаемое изобретение было осуществлено на практике, всего было 6564 зерна, из которых 2034 зерна, или 31% от общего числа, были пурпурными. Это огромное увеличение частоты актов перекрестного опыления на более, чем 38 000% (или в 38 раз) по сравнению с шестью початками, которые служили в качестве контрольной группы. Важно отметить, что Р1 и другие доноры пыльцы, упоминаемые ниже в Примере 2, не являются элитными инбредными растениями, эти инбредные линии созданы более 20 лет назад и никогда не использовались для производства товарного зерна. Кроме того, согласно литературным источникам (Sari Gorla, (1975) Theor. Appl. Genet. 46: 289-94), пыльца гибридов, таких как Н1, более жизнестойка и сильна, чем пыльца инбредных растений. В результате пыльца Р1 имела неблагоприятные конкурентные условия в отношении жизнестойкости и силы по сравнению с пыльцой Н1. Это дополнительно иллюстрирует эффективность предлагаемого изобретения для повышения процента перекрестного опыления.

[0056] Пример 2. Предлагаемое изобретение осуществляли на практике с использованием двух товарных гибридов (Н1 и Н2) в качестве женских родителей в одном из центральных районов штата Айова. Выращивали блоки из 12 рядов (ширина каждого ряда составляла 0,76 м (2,5 фута), общая ширина блока составляла 9,1 м (30 футов)) длиной 13,7 м (45 футов) для каждого гибрида. На расстоянии более 45,7 м (150 футов) от блоков с упомянутыми гибридами выращивали три инбредных донора пыльцы (Р1, Р2 и Р3), которые не были родственны упомянутым гибридам. Эти три донора пыльцы представляли собой общедоступные линии из Национальной системы идиоплазмы растений Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США и являлись носителем гена, ответственного за антоцианин в эндосперме зерна. При использовании этих источников пыльцы в успешности опыления вскоре можно убедиться без помощи оптических приборов по видимой пурпурной окраске зрелых зерен в початке.

[0057] В самом начале окна предлагаемое изобретение осуществляли на практике, для чего из метелок мужских растений - доноров пыльцы (Р1, Р2, и Р3) принудительно брали пыльцу, которую помещали в мешочки. Затем эту пыльцу назначенных мужских родителей без промедления наносили на пестики гибридов Н1 и Н2 вручную, используя хорошо известную в отрасли технологию, заключающуюся в осторожном постукивании по мешочку с пыльцой, чтобы выпустить пыльцевые зерна на пестики. Женский родитель гибрид Н1 был сортом раннего созревания, также как и донор пыльцы Р1, поэтому пыльца этого донора пыльцы Р1 была использована для нанесения на пестики женского родителя Н1. Следует заметить, что часть початков женского родителя Н1, которая в данном эксперименте состояла из 11 початков, которые в рассмотренном выше Примере 1 удовлетворяли критерию включения в этот набор данных и поэтому были результатом «брызгания воды» для задержки испускания женским родителем Н1 собственной пыльцы и результатом опыления, осуществленного до испускания гибридом Н1 собственной пыльцы. Женский родитель гибрид Н2 был сортом, созревающим позже, как и доноры пыльцы Р2 и Р3. Поэтому пыльца доноров Р2 и Р3 была использована для опыления пестиков материнского родителя Н2. Все акты опыления Н2 и большинство актов опыления Н1 (за исключением 11 опылений Н1, выполненных до окна естественного опыления, как это было описано в Примере 1) выполняли в самом начале окна в утреннее время.

[0058] В течение раннего отрезка окна опыления в отношении женских родительских растений Н1 и Н2 было осуществлено более 75 совершенных вручную актов опыления путем нанесения пыльцы на пестики тех растений Н1 и Н2, которые произрастали в середине блока. Этот способ реализует вариант осуществления предлагаемого изобретения, в котором в ранней части окна естественного опыления может быть собрана свежая пыльца, которая должна быть без промедления нанесена непосредственно на неродственные гибридные растения, растущие на соседнем поле. Кроме того, данный эксперимент имитировал, хотя и не точно, случай, когда пыльцу могли собрать на близлежащем поле с неродственными растениями, поместить в хранилище на некоторое время, после чего извлечь из хранилища в ранние утренние часы до того, как растениями, используемыми в качестве женских родителей, начнет испускаться собственная пыльца, и нанести на женские репродуктивные компоненты упомянутых женских родительских растений. Опыления маркировали в отношении того, который из доноров пыльцы был использован для каждого опыленного початка. Зерна желтого цвета на этих початках, как можно предположить, по большей части, если не целиком, являются результатом самоопыления, в то время как зерна пурпурного цвета на этих початках являются результатом перекрестного опыления от доноров пыльцы. Как было замечено в рассмотренном выше Примере 1, можно предположить также, что в этом эксперименте при использовании известных способов производства зерновой продукции в середине блоков с гибридами самоопыление было близко к 100%.

[0059] Часть собранных початков, ставших объектами целенаправленного опыления, имеет высокий процент зерен, являющихся результатом перекрестного опыления, часто это более 50%. Эти початки часто имеют большие сплошные блоки пурпурных семян в одной части початка, в то время как остальная площадь початка занята желтыми семенами. Это можно видеть на фиг. 3, где изображен початок, у которого доля зерен, полученных в результате перекрестного опыления (имеют темный (в цветном изображении пурпурный) цвет), составляет приблизительно 85%. В других случаях были получены початки с более низкой долей пурпурных зерен, часто это от 10% до 30%. Среди них было всего 49 початков, в которых образовывали смесь разобщенные пурпурные и желтые зерна, не образующие сплошных блоков. Два образца початков представлены на фиг. 1 и фиг. 2. Эти початки демонстрируют явную смесь темных (пурпурных) и светлых (желтых) зерен. Эти початки были особенно иллюстративны с точки зрения урожайности при самоопылении по сравнению с урожайностью при перекрестном опылении, в то время как початок, представленный на фиг. 3, не является иллюстративным с точки зрения урожайности, так как зерен, полученных в результате самоопыления, в нем недостаточно, чтобы установить достаточный для сравнения объем выборки. Зерна в этих початках развивались в почти одинаковых условиях среды с единственным различием, которое состоит в разном генофонде мужских родительских растений (самоопыление по сравнению с перекрестным опылением). Эти зерна были собраны и для каждого початка разделены на две группы: 100 желтых и 100 пурпурных зерен приблизительно из середины початка (иногда, когда не было достаточного количества пурпурных зерен, могло быть использовано меньшее количество - но не менее 40 зерен каждого типа). Для каждого початка проводили измерения по этим наборам зерен. В Таблице 3a и Таблице 3b показаны различия между желтыми и пурпурными зернами из этих початков в массе отдельного зерна и натурной массе зерна (масса на единицу объема). Данные, сведенные в Таблицу 3a и Таблицу 3b, иллюстрируют несколько моментов:

[0060] Во-первых, результатом осуществления предлагаемого изобретения на практике было повышение полезной продуктивности по меньшей мере по одному параметру (масса зерна или натурная масса зерна) у зерен, полученных в результате перекрестного опыления, по сравнению с зернами, полученными в результате самоопыления, у всех трех типов зерен, полученных в результате перекрестного опыления (Таблица 3a и Таблица 3b).

[0061] Во-вторых, осуществление предлагаемого изобретения на практике может повысить полезную продуктивность различными способами в зависимости от конкретной комбинации опыляемого гибрида и донора пыльцы (Таблица 3a и Таблица 3b). Первый кросс (совокупность организмов, полученных в результате перекрестного опыления) - гибрид Н1, опыленный инбредным донором пыльцы Р1, - благодаря перекрестному опылению дал увеличение массы зерна на 8,7% и увеличение натурной массы зерна на 1,9%. Второй кросс- гибрид Н2, опыленный инбредным донором пыльцы Р2, - дал увеличение натурной массы зерна на 2,8%, но не дал увеличения массы зерна. Третий кросс - гибрид Н2, опыленный инбредным донором пыльцы Р3, - благодаря перекрестному опылению дал увеличение массы зерна на 5,1%, но не дал увеличения натурной массы зерна.

[0062] Пример 3. Описываемый здесь вариант осуществления предлагаемого изобретения характеризует общую ситуацию в товарном производстве зерновой продукции, когда используются большие площади (поля от 20,2 га до 40,5 га (от 50 до 100 акров)), засаженные различными неродственными гибридными растениями, которые во многих случаях происходят от разных продавцов. Эти поля в большой степени самоопыляются, и поэтому они дают урожайность более низкую, чем она могла бы быть при перекрестном опылении из неродственных источников пыльцы. При чистом насаждении кукурузы в среднем более собранных 95% зерен являются результатом самоопыления. Гогги и др. (Goggi et al. (2006) Field Crops Res. 99: 147-157) показали, что непреднамеренное скрещивание разных линий между соседними полями по производству зерновой продукции было намного меньше: оно составляло 0,4% при расстоянии 35 м и менее 0,05% при расстоянии 100 м. Многие из этих больших кукурузных полей находятся на разных стадиях зрелости, и поэтому цветение и испускание пыльцы на них происходят в разное время. В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения пыльцу с одного поля, где созревание произошло раньше, собирают и консервируют/хранят до тех пор, пока не начнется цветение на другом поле с неродственными гибридными растениями, и тогда пыльцу с первого поля используют для опыления второго поля, нанося ее на женские репродуктивные компоненты растений рано утром (например, в пять часов утра), чтобы на этом втором поле максимизировать перекрестное опыление и минимизировать самоопыление. Это нанесение пыльцы выполняют в течение двух или трех дней подряд в течение периода самого буйного цветения. Этот процесс сбора пыльцы, ее консервирования и хранения повторяют для второго поля и используют эту пыльцу для опыления начинающих цвести неродственных гибридных растений на третьем поле и так далее для всех полей, пока на них не закончится время цветения. При таком решении значительная часть зерен кукурузы в данной округе будет получена как результат перекрестного опыления, а не самоопыления, что скажется на урожайности в виде ее повышения на 5-10%. Следует заметить, что описанный выше процесс не обязательно должен осуществляться точно в той последовательности, которая описана выше. Можно было бы брать пыльцу с первого поля (которое зацвело раньше всех) и использовать ее для опыления многих (например, пяти или больше) полей. При таком конкретном решении перекрестное опыление в соответствии с предлагаемым изобретением могло бы очень быстро распространяться с одного поля на группу из пяти полей, с пяти полей на 25 полей и так далее. В результате перекрестное опыление было бы осуществлено на большинстве кукурузных полей в данной округе.

[0063] Пример 4. Этот пример осуществления одного из вариантов описываемого здесь изобретения похож на рассмотренный выше Пример 2, в котором пыльцу с полей, засаженных неродственными гибридами, цветущими приблизительно в одно время, на каждом из полей собирали, как только метелки начинали испускать пыльцу. Часть пыльцы с каждого поля без промедления наносили непосредственно на открывшиеся пестики растений на другом поле, а оставшуюся пыльцу консервировали / помещали на хранение. Цветение гибридных растений на полях обычно длится приблизительно три-четыре дня, и хранимую пыльцу используют для опыления в течение следующих двух-трех дней подряд ранним утром до того, как начнется естественное испускание собственной пыльцы - с целью повышения процента перекрестного опыления. При таком решении обеспечено повышение процента перекрестного опыления, и следовательно, урожайность на обоих полях будет повышена на 5-10%.

[0064] Пример 5. С точки зрения рынков специальной зерновой продукции очень важно, чтобы поле было предоставлено самоопылению, так чтобы процент перекрестного опыления от близлежащих полей был очень низким. В качестве одного из примеров такой специальной зерновой продукции может быть упомянута так называемая продовольственная кукуруза, которая, чтобы удовлетворять установленным требованиям, должна быть на 99% или более получена самоопылением (Strayer, D. (2002) Preserved Systems: A reference handbook. CRC Press.). В этом примере предлагаемое изобретение использовано для сокращения процента перекрестных опылений с целью обеспечить генетически чистый урожай специальной зерновой продукции, которая будет продана конечному потребителю по повышенной цене. В этом случае пыльцу собирают сразу, как только на поле по выращиванию специальной зерновой продукции начнут испускать пыльцу первые метелки. Часть этой пыльцы без промедления целенаправленно наносят непосредственно на открывшиеся пестики на этом поле. На этой начальной стадии цветения открыта только небольшая доля пестиков. Остальную собранную пыльцу консервируют / помещают на хранение и используют в течение последующих двух-трех дней подряд для опыления очень ранним утром до того, как начнется естественное испускание пыльцы, с тем чтобы усилить самоопыление и минимизировать перекрестное опыление. При таком решении производитель специальной зерновой продукции с успехом обеспечивает выращивание и поставку специальной зерновой продукции, удовлетворяющей требованиям конечного потребителя. В этом варианте предлагаемое изобретение могло бы быть осуществлено также с меньшей интенсивностью, а именно, нанесение пыльцы можно было бы осуществлять только по внешнему окаймлению поля полосой приблизительно 12,2 м (40 футов) шириной, то есть, там, где существует наибольший риск перекрестного опыления, а внутреннюю область поля можно предоставить естественному самоопылению.

[0065] Пример 6. Предлагаемое изобретение может быть применено в индустрии производства зерновой кукурузы таким образом, что оно обеспечивает для производителя возможность принимать решения на основе рыночных показателей вплоть до момента опыления (от начала до середины июля), а не до посадки, как это имеет место на предшествующем уровне техники. Путем сбора и консервирования/отправки на хранение пыльцы из многих разных источников, которые для разных производственных ситуаций в изобилии доступны по всему миру, за счет выбора пыльцы для опыления можно обеспечить различные характеристики зерновой продукции, которая будет снята с поля. Сельхозпроизводитель имеет возможность следить за рынком и принимать решение касательно специальной зерновой продукции, такой как высокомасличная кукуруза или товарная кукуруза желтая зубовидная №2, и может отдать приказ («разместить ордер») на покупку пыльцы, которая обеспечит получение желаемой зерновой продукции. В рассматриваемом примере насаженный гибрид - это просто женское родительское растение для принятия пыльцы и в целом имеет желаемые характеристики. Пыльца содержит гены, требуемые на рынке, и при таком решении возможность удовлетворить потребности рынка путем модификации зерновой культуры сохраняется вплоть до времени опыления. Есть много других сходных признаков, которые применимы в данном примере. Например, если возникла засуха, то может быть использован такой источник пыльцы, который минимизирует процент недоразвитых зерновок в процессе налива зерна. В альтернативном варианте, если сезон не был ограничен в воде, может быть использован такой источник пыльцы, который максимизирует интенсивность всасывания и урожайность зерновой культуры.

[0066] Для упомянутых выше высокомасличной кукурузы и кукурузы желтой зубовидной №2, а также для многих других требуемые характеристики могут быть достигнуты с помощью естественных, не связанных с генетически модифицированными организмами, источников пыльцы. В отношении других признаков, таких как устойчивость к насекомым-вредителям, желаемые характеристики могут быть достигнуты с привлечением в качестве источников пыльцы генетически модифицированных организмов. Кроме того, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность придания зерновой продукции характеристик генетически модифицированного организма, не вызывая обеспокоенности общества негативным эффектом обычных генетически модифицированных организмов. Таким образом, предлагаемое изобретение обходит серьезный барьер, который вынуждены преодолевать производители полезных генетически модифицированных организмов, чтобы протолкнуть их на рынок.

[0067] Пример 7

[0068] Еще один пример реализации описываемого здесь изобретения касается спасения завязавшихся семян, теряемых в условиях засухи, которая случилась до или во время цветения. Засуха в этот период - это до сих пор главная причина потери зерновой продукции в пересчете на год в США. В благоприятных условиях, то есть при адекватной влажности и нормальных температурах имеет место тесная синхронность испускания пыльцы мужскими цветками на метелках и появлением восприимчивых к пыльце репродуктивных компонентов (пестиков) у женских цветков. Однако в условиях засухи возникают три проблемы, которые препятствуют успешному опылению. Во-первых, при засухе появление пестиков запаздывает относительно испускания пыльцы (Basset, Р. & М. Westgate (1993) Crop Sci. 33: 279-282). То есть, удлиняется интервал между испусканием пыльцы метелками и выметыванием пестичных столбиков в початках, что может привести к абсолютной невозможности опыления поздно выметанных пестичных столбиков. Во-вторых, засуха сокращает время, в течение которого появившиеся пестики восприимчивы к пыльце (Araus, J.L. et al. (2012) Front. Physiol. 3: 305). To есть, их способность поддерживать прорастание пыльцы и рост пыльцевой трубки сокращается на несколько дней. В-третьих, низкая влажность и высокие температуры, которые обычно сопровождают засуху, уменьшают жизнеспособность и долговечность пыльцы (Schoper, J.В. et al. (1987) Plant Physiol. 83 (1): 121-125). Чтобы применить к этому случаю предлагаемое изобретение, собирают свежую пыльцу с этого поля или с близлежащего поля, на котором высажен раньше созревший гибрид кукурузы. При необходимости пыльцу хранят в течение некоторого времени, а затем наносят непосредственно на женские цветки, как только на них показались пестики. Это нанесение пыльцы преодолевает все три вышеописанных обусловленных засухой ограничения в отношении опыления и завязывания семян. Чтобы усилить естественное самоопыление/сибс-опыление, хранимую пыльцу можно наносить на протяжении нескольких дней подряд. В случаях, когда засуха удлиняет интервал между испусканием пыльцы метелками и выметыванием пестичных столбиков в початках до четырех или более дней, применение предлагаемого изобретения может повысить урожайность на 25% или более.

[0069] Выше с определенной степенью детализации были описаны различные варианты осуществления предлагаемого изобретения, однако специалисты соответствующего профиля в состоянии сделать многочисленные модификации описанных вариантов осуществления предлагаемого изобретения без отклонения от его духа и не выходя за пределы его объема, как он раскрыт в данном описании и прилагаемой формуле изобретения. В некоторых случаях в методике, которая здесь раскрыта прямо или косвенно, различные стадии и операции описаны при одном возможном порядке работы, но специалистам соответствующего профиля должно быть понятно, что переупорядочение, замена или устранения некоторых из этих стадий и операций не обязательно ведут к отклонению от духа предлагаемого изобретения и к выходу за пределы его объема. Предполагается, что весь материал, содержащийся в данном описании или на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать как всего лишь иллюстративный, но не ограничивающий. Изменения в деталях или структуре могут быть сделаны без отклонения от духа предлагаемого изобретения и выхода за пределы его объема, который определен прилагаемой к сему формулой изобретения.

[0070] Предлагаемое изобретение было описано со ссылками на рассмотренные выше варианты его осуществления, однако тем, кто обладает хотя бы средней квалификацией в данной отрасли, станут понятны различные альтернативные варианты, модификации, вариации, усовершенствования и (или) эквиваленты по существу, как известные, так и такие, которые спрогнозированы или могут быть спрогнозированы. Перечисление стадий способа в определенном порядке не накладывает никаких ограничений на порядок выполнения этих стадий способа. Таким образом, описанные выше варианты осуществления предлагаемого изобретения следует понимать как иллюстративные, а не ограничивающие. Специалистам соответствующего профиля должно быть понятно, что изменения могут быть внесены в изобретение по форме и в деталях без отклонения от духа предлагаемого изобретения и выхода за пределы его объема. Поэтому предполагается, что объем предлагаемого изобретения охватывает все известные или ранее разработанные альтернативные варианты, модификации, вариации, усовершенствования и (или) эквиваленты по существу.

Изобретение относится к области биохимии, в частности к способу установления временного окна в пределах дня, когда назначенные женские растения готовы принять намеренно наносимую назначенную мужскую пыльцу. Раскрыт способ производства зерна. Изобретение позволяет эффективно повысить урожайность сельскохозяйственной зерновой культуры. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 7 пр.

1. Способ установления одного или больше раз по меньшей мере одного временного окна в пределах дня, когда назначенные женские растения готовы принять намеренно наносимую назначенную мужскую пыльцу (пыльца^м) способом, не включающим естественное опыление ветром, деятельность насекомых или другие природные факторы, с целью производства зерна, представляющего интерес,

при этом в качестве назначенного женского растения используют любое одно или несколько из следующих растений: кукуруза, соя, пшеница, рис, подсолнечник, канола, сорго, ячмень, жемчужное просо,

при этом назначенные женские растения включают женские компоненты и выращиваются в условиях, которые могут подвергать женские компоненты воздействию нежелательной пыльцы (пыльца^U), которая представляет собой:

a. собственную пыльцу, продуцируемую мужскими компонентами назначенных женских растений, и/или

b. пыльцу, продуцируемую соседними растениями, которая способна опылять назначенные женские растения,

при этом способ включает следующие стадии: установление того, что женские компоненты назначенных женских растений восприимчивы к пыльце, и

установление одного или больше раз по меньшей мере одного временного окна в пределах дня для назначенных женских растений, причем упомянутые временные окна представляют собой или являются:

i. первый раз временным окном, когда назначенные женские растения впервые становятся восприимчивыми к пыльце, и/или

ii. второй раз временным окном, приходящимся на период времени в то время суток, когда пыльца^U не выделяется и/или выделяющаяся пыльца^U более не жизнеспособна, так что, когда в одном или нескольких случаях на женские компоненты назначенных женских растений намеренно наносят пыльцу^м средствами, не включающими естественное опыление ветром, деятельность насекомых или другие природные факторы в течение второго периода, тогда выбранные назначенные женские растения к моменту времени, когда начнет испускаться пыльца, уже будут опылены пыльцой^м.

2. Способ производства зерна для потребления человеком, животным или для промышленного использования, включающий

a. выращивание назначенных женских растений, имеющих женские компоненты, в условиях, которые могут подвергать женские компоненты воздействию нежелательной пыльцы (пыльца^U), при этом указанная пыльца^U представляет собой:

собственную пыльцу, продуцируемую мужскими компонентами указанных женских растений, и/или

пыльцу, продуцируемую соседними растениями, которая способна опылять указанные женские растения,

b. отбор назначенных женских растений как готовых к получению наносимой назначенной мужской пыльцы (пыльца^м) таким образом, который не включает естественное опыление ветром, деятельность насекомых или другие природные факторы, с целью получения представляющего интерес зерна за один или больше раз, как определено способом по п. 1, и

c. намеренное нанесение пыльцы^м на назначенные женские растения за один или нескольких раз, выбранных на стадии b, за один или более раз в течение первого и/или второго раза согласно способу по п. 1, способом, который не включает естественные опыление ветром, деятельность насекомых или другие природные факторы,

при этом назначенное женское растение представляет собой любое одно или более из следующего перечня: кукуруза, соя, пшеница, рис, подсолнечник, канола, сорго, ячмень, жемчужное просо, и

при этом способ не включает повторную посадку зерна, произведенного назначенными женскими родительскими растениями.

3. Способ производства зерна для потребления человеком, животным или для промышленного использования, включающий

a. выращивание назначенных женских растений, имеющих женские компоненты, в условиях, которые могут подвергать женские компоненты воздействию нежелательной пыльцы (пыльца⁰), при этом пыльца⁰ представляет собой:

собственную пыльцу, продуцируемую мужскими компонентами этих женских растений, и/или пыльцу, продуцируемую соседними растениями, которая способна опылять назначенные женские растения,

b. отбор назначенных женских растений как готовых к получению намеренно наносимой назначенной мужской пыльцы (пыльца^м) таким способом, который не включает естественное опыление ветром, деятельность насекомых или другие природные факторы, с целью получения представляющего интерес зерна за один или более раз, как определено способом по п. 1, и

c. намеренное опыление назначенных женских родительских растений за один или более раз, выбранных на стадии b, за один или более раз из первого и/или второго раза в соответствии с п. 1, пыльцой^м способом, который не включает естественное опыление ветром, деятельность насекомых или другие природные факторы,

d. выращивание назначенных женских растений, полученных на стадии с, до зрелости, и

e. сбор урожая зерна назначенного женского растения, при этом назначенное женское растение представляет собой любое одно или более из следующего перечня: кукуруза, соя, пшеница, рис, подсолнечник, канола, сорго, ячмень, жемчужное просо, и

при этом способ не включает повторную посадку зерна, произведенного назначенными женскими родительскими растениями.

4. Способ по п. 3, дополнительно включающий стадию использования собранного зерна для потребления человеком, животным или для промышленного использования, и при этом способ не является по существу биологическим процессом выращивания растений.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором пыльца^м является пыльцой мужского растения, имеющего другой генетический фон, нежели назначенные женские растения.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором пыльца^м состоит из одного или более следующих компонентов:

а. свежая пыльца,

б. консервированная пыльца.

7. Способ по любому из пп. 2 или 3 или любому другому пункту, зависящему от них, в котором намеренное нанесение назначенной пыльцы мужских растений проводят с помощью одного или нескольких из следующих средств: механические средства, пневматические средства, средства положительного давления, средства отрицательного давления, ручные средства, их комбинации.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором пыльца^м представляет собой свежую пыльцу, собранную на одном или нескольких полях, в камере для выращивания, теплице, парнике, тенистом домике, арочной теплице, вертикальном фермерском хозяйстве или установке гидропоники.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором пыльца^м представляет собой консервированную пыльцу, которая была предварительно собрана и сохранена путем охлаждения, криоконсервации, замораживания, сублимационной сушки или хранения в жидком азоте.

10. Способ по любому из пп. 2 или 3, в котором к одному и тому же назначенному женскому растению пыльцу^м применяют более чем один раз.

11. Способ по п. 10, в котором пыльцу^м применяют в то время, когда назначенные женские растения впервые становятся восприимчивыми к этой пыльце.

12. Способ по п. 3, в результате осуществления которого получают модифицированные характеристики зерна, к которым относится одно или более из следующего: размер зерна, содержание зерна или состав зерна.

13. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором пыльцу^м получают из источников, оптимальных для применения по условиям окружающей среды.

14. Способ по п. 13, в котором упомянутыми условиями окружающей среды являются:

i. абиотические условия,

ii. абиотические условия, включающие по меньшей мере одно из следующего: засуха, влажность, температура, доступность азота или доступность питательных веществ,

iii. биотические условия или

iv. биотические условия, включающие по меньшей мере одно из следующего: давление насекомых-вредителей, давление болезни.

15. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором пыльца^м получена из источников, оптимальных для применения, исходя из данных о продуктивности растений.

16. Способ по любому из пп. 2 или 3, в котором пыльца^м влияет на характеристики зерна, собранного с женских растений, при этом указанное влияние сказывается на одном или более из следующего:

i. масличность зерна,

ii. содержание крахмала в зерне,

iii. содержание протеина в зерне,

iv. состав зернового масла,

v. состав зернового крахмала,

vi. белковый состав зерна.

17. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором пыльца^м получена из:

(а) единого генетического источника, или

(b) нескольких генетических источников и объединена перед применением.

18. Способ по п. 3, в котором урожай зерна и характеристики зерна изменяются в результате опыления.

19. Способ по п. 18, включающий выращивание множества назначенных женских растений, имеющих как женские, так и мужские компоненты, при этом по меньшей мере часть мужских компонентов у этих назначенных женских растений способна выделять пыльцу назначенных женских растений.

20. Способ по п. 19, в котором назначенные женские растения намеренно перекрестно опыляют пыльцой^м из другого генетического фона, прежде чем упомянутые мужские компоненты высвободят по меньшей мере часть пыльцы назначенных женских растений.