Гетерозисные скрещивания 3 страница

Таким образом, при массовом введении в лесные культуры интродуцируемых пород необходимо решать ряд задач селекционно-генетического, растениеводческого, эколого-лесоводственного и экономического характера.

При организации интродукции Н.И. Вавилов исключительное значение придавал вопросам карантина, считая, что отсутствие ка­рантинной службы может свести на нет самые успешные результа­ты экспедиционных работ как внутри страны, так и за рубежом. В связи с этим в составе ВНПО «Союзлесселекция», головной орга­низацией которого являлся ЦНИИЛГиС, в 80-е годы была сделана попытка создания сети лесных карантинных питомников. Однако последующие годы реформ свели на нет это начинание.

***

В целом, результаты современных теоретических и методических разработок в области лесной интродукции свидетельствуют о ее ре­альных возможностях в решении актуальных задач лесного хозяй­ства. Надо, чтобы интродукция лесных пород была постоянно в поле зрения не одного поколения ученых и практиков без наблюдаемых ранее спадов, чреватых потерей сведений о происхождении культур тех или иных интродуцентов, разрывом в преемственности поколе­ний, и в конечном счете потерей продуктивности лесов.

Обоснование экономической эффективности лесной интродукции можно считать решенным для пород быстрорастущих, которые в культурах промышленного назначения отличаются повышенной про­дуктивностью древесины при соответствующем ее качестве. Для ин­тродуцентов, относительно медленно растущих, но имеющих немало преимуществ прижизненного функционирования (рекреационных, защитных, орехоплодных и др.), современная методика лесных эко­номических оценок фактически не работает. Это вызвано отсутстви­ем количественных критериев экономической оценки целого ряда недревесных полезностей леса. И в этом направлении также требу­ется дальнейшая работа.

Вопросы для самопроверки

1. Что подразумевают под интродукцией и сопутствующими ей акклиматизацией и натурализацией растений?

2. Каковы отличительные особенности лесной интродукции?

3. Каковы принципиальные теоретические предпосылки плановой интродукции?

4. Охарактеризуйте методические аспекты изучения опыта интродукции.

5. Каковы фитоценотические особенности лесной интродукции?

Лесная селекция базируется на наследственной гетерогенности популяций древесных растений, которая позволяет вести отбор цен­ных генотипов. В последние годы в целях расширения селекцион­ной базы наряду с традиционными способами повышения генети­ческого разнообразия, такими как гибридизация и интродукция, успешно внедряются новые экспериментальные методы, основан­ные на достижениях генетики, эмбриологии и цитологии растений. Среди таких методов ведущее место занимает индуцированный му­тагенез, полиплоидия и культура клеточных тканей и клеток.

5.1. Общие положения по использованию

мутагенеза, полиплоидии и культуры тканей

в селекции лесных древесных пород

Мутации, как известно, являются одним из основных факторов эволюции живой природы. Спонтанные мутации, возникающие как следствие естественных мутагенов, в гомозиготном состоянии про­являются фенотипически и немедленно подвергаются естественно­му отбору, а в гетерозиготном состоянии могут долго сохраняться и накапливаться в популяции.

Мутации, возникающие в половых клетках, называются генера­тивными, и передаются новому поколению. Мутации, происходя­щие в любых других клетках организма, называются соматическими; они наследуются только при вегетативном размножении. Один из видов соматической мутации у древесных растений почковые мутации, возникающие, в меристемных клетках точки роста стебля (предполагают, что благодаря этой мутации возникли пирамидаль­ные тополя), Различают генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации — изменения, возникающие вследствие перестройки в молекуле ДНК чаще всего при замене одного или нескольких нуклеотидов в пределах гена. Это приводит к изменению строения молекул белков и появлению новых признаков и свойств (например, гроздешишечные формы у хвойных, «ведьмины метлы», альбиносы, махровость у цветков, образование летальных генов и т.д.).

Хромосомные мутации с вязаны со структурными изменениями хромосом, при которых меняется положение участков хромосом, нарушаются существующие и возникают новые группы сцепления.

Геномные мутации — это изменение числа хромосом. Они могут быть вызваны нерасхождением хромосом при делении. Особенно важными для селекции являются геномные мутации, возникающие из-за нерасхождения хромосом при мейозе, так как следствием мо­жет быть появление нового набора хромосом у гамет. Геномные мутации могут быть представлены гаплоидами (с хромосомной му­тацией), анеуплоидами (с лишней или недостающей хромосомой), полиплоидами (с кратным увеличением хромосом).

Спонтанные мутации возникают редко, носят случайный, ненап­равленный характера Они приводят к появлению „необычных форм древесных растений. В природе у древесных растений кроме мута­ций, приводящих к изменению формы кроны,(встречаются хлорофилльные мутации, мутации с морфологическими нарушениями листьев (рассеченные листья) и т.п. Такое мутантное дерево обычно произрастает в парках или садах, так как в лесу вероятность выживания его очень низкая. Причиной появления около 50% спонтанных мутаций у древесных пород считается естественная радиоактивность. Значительно больший интерес с точки зрения получения практичес­ких результатов имеет направленное получение мутаций, которое базируется на раскрытии молекулярных механизмов мутаций, управ­лении этими мутациями и получении форм живых организмов с за­ранее заданными признаками и свойствами. В селекции растений — это чаще всего выведение полиплоидных форм.

Полиплоидия, или кратное увеличение гаплоидного набора хро­мосом, вызванное геномной мутацией, — обычное явление в биологии. По существу, в жизненном цикле высших растений споро­фит является полиплоидом по отношению к гаметофиту, так как клетки его содержат удвоенный (диплоидный) набор хромосом.

У древесных растений более трети всех родов имеют полиплоид­ные виды. У голосеменных древесных растений естественная поли­плоидия наблюдается очень редко. Истинным полиплоидом среди древесных форм голосеменных является секвойя вечнозеленая {Sequoia sempervirens), у которой клетки спорофита содержат 66 хро­мосом.

Иная картина наблюдается у лиственных пород. По мнению не­которых исследователей, виды ольхи и березы произошли путем полиплоидизации из исходных видов, имеющих гаплоидный набор, состоящий из семи хромосом. Максимальное число полиплоидных видов и наибольший размер плоидности среди древесных растений наблюдается в родах Morus и Salix. Род Ива в естественных услови­ях представлен видами с уровнем плоидности 2n, 3n, 4n, 6n, 10n, 12n. В эволюции многих видов и родов лесных древесных растений полиплоидия или была главным стратегическим направлением в видообразовании, или играла важную роль в сочетании с гибриди­зацией.

Одним из путей кратного увеличения набора хромосом в клетке является тот, когда при делении клетки хромосомы не расходятся в дочерние клетки. Если это происходит, например, во время анафа­зы II мейоза в микроспороцитах, то образуется диплоидная микро­спора, дающая в дальнейшем диплоидный спермий. При слиянии такого спермия с гаплоидной яйцеклеткой образуется триплоидная зигота. Естественный триплоид, возникший, как полагают, в резуль­тате опыления нормальной яйцеклетки лиственницы европейской диплоидной пыльцой лиственницы западной, описан в литературе (C.S. Larsen, M.A. Westergaard, 1938). Естественные триплоиды из­вестны и для лиственных пород. В 1935 году в лесах Швеции была найдена исполинская осина (Н. Nilsson-Ehle, 1936). Позднее эту форму осины нашли и в других странах, в том числе и в России (А.С. Яблоков, 1963; СП. Иванников, 1958; В.Т. Бакулин, 1966). Деревья исполинской осины, как правило, обладают мощным ростом и по высоте превосходят одинаковые по возрасту деревья обычной оси­ны на 28%, по диаметру — на 97%; листья крупнее на 25-30%, сред­няя длина устьиц больше на 15-20%. Кариотипический анализ по­казал, что исполинская осина является триплоидом.

Поиск естественных полиплоидов в природе — дело трудное и непредсказуемое. Искусственно вызванная полиплоидия, получен­ная методом индуцированного мутагенеза, дает возможность полу­чать сорта с новыми признаками и свойствами, отсутствующими у исходных форм. В качестве мутагенных факторов чаще всего ис­пользуют различные виды излучений, высокие и низкие темпера­туры, некоторые химические вещества. Обычно в роли химическо­го мутагена выступает ядовитое вещество колхицин, который полу­чают из растения безвременника осеннего (Colchicum autumnale). Колхицин разрушает веретено деления, и хромосомы не расходят­ся к полюсам клетки, а остаются на экваторе. В интерфазе хромо­сомы удваиваются и клетка становится полиплоидной. Мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз, называют супермута-генами. Из химических супермутагенов в селекции лесных пород используют диэтилсульфат, диметилсульфат, этиленимин, нитрозоалкилмочевину и ряд др. При работе с высшими растениями воз действию мутагенов подвергают семена, почки, пыльцу. В этом случае мутации проявляются уже у растений нового поколения. Методом индуцированного мутагенеза получены искусственные полиплоиды у сосны, ели, лиственницы, осины, ольхи, березы и др. пород.

О возможности использования полиплоидных форм в селекции лесных древесных пород нет единого мнения. У голосеменных по явление новых полиплоидных форм наблюдается редко, причем по величине прироста эти полиплоидные формы уступают диплоид­ным формам тех же древесных пород. Среди полиплоидных форм, полученных у хвойных с помощью колхицина, более быстрый рост по сравнению с нормальными диплоидными формами удалось дос­тичь только у криптомерии японской. У покрытосеменных расте­ний возможности использования полиплоидии более благоприят­ны. У полиплоидных форм лиственных древесных пород встреча­ются как быстрорастущие, так и медленнорастущие формы. Осо­бенно быстрый рост выявлен у триплоидных форм осины и березы.

Искусственные тетраплоидные формы хвойных обычно отлича­ются замедленным ростом и представляют интерес только при раз­ведении карликовых растений в садах и парках.;Эти формы почти не образуют репродуктивных органов и поэтому скрещивание их с нормальными диплоидными формами очень затруднено, хотя в ре­зультате могут быть получены триплоидные растения.

У триплоидных форм древесных растений при мейозе часть хро­мосом не находит себе пары. Поэтому образуются половые клетки с несбалансированным набором хромосом, которые затем погиба­ют, что приводит к снижению плодовитости или к полной бесплод­ности. Трудности с размножением, бесплодных форм растений мо­гут быть преодолены с помощью еще одного экспериментального метода, интенсивно разрабатываемого в селекции в последние годы. Речь идет о методе вегетативного размножения растений с помо­щью культуры тканей и клеток in- vitro.

Метод культуры тканей основан на тотипотентности клетки, способности ее к делению и формированию в массе размноживших­ся клеток, отдельных тканей и органов, а в дальнейшем и целого растения того вида, из которого была получена эта клетка. Много­численные опыты показали, что почти любая специализированная клетка содержит весь набор генов, контролирующий развитие ее в любом направлении. Первые успехи ботаников в этой области от­носятся к началу 30-х годов XX столетия. На пути к экспериментальному морфогенезу растений в культуре тканей надо было пре­одолеть три принципиальных барьера:

• первый барьер состоит в том, что необходимо создать пита­тельную среду, содержащую все требуемые вещества для изолиро­ванного существования клетки;

• второй барьер связан с тем, что уже сам процесс изоляции клетки труден, так как связь между клеточными стенками у расте­ний несравненно более прочная, чем у клеток животных;

• третий барьер заключается в том, что клетки большинства тканей растения теряют способность к делению, свойства эти со­храняются лишь у клеток специальных тканей, называемых мерис­темами.

Преодолев эти барьеры ученые получили почти идеальные мо­дельные системы для изучения дифференциации клетки как осно­вы морфогенеза. Простота, тканевая однородность, возможность контроля за условиями культивирования — далеко не полный пе­речень достоинств этих моделей. Преимущества метода in vitro для древесных растений заключаются в независимости от вегетационно­го периода, неограниченного выхода посадочного материала отвод­ной инициали, экономии времени при выведении и размножении сортов, закладке генетических банков, а также в возможности полу­чения гибридов между естественно нескрещивающимися видами.

Клетки органов и тканей растений при переносе на искусствен-ную питательную среду переходят при определенных условиях к нео­граниченному размножению, образуя бесформенный тканевой на­плыв — каллус. Периодически отделяя и перенося кусочки каллуса на свежую питательную среду, можно продлить жизнь культуры на неопределенно длительное время. Так появляется возможность со­хранения селекционного материала в генных банках (коллекциях тканевых культур). Для размножения древесных растений in vitro чаще всего используют ювенильный материал (зародыши и их час­ти, ткани мегагаметофита и проростки). Было установлено, что чем моложе растение (стадия зародыша и 10-20-дневных проростков), тем легче идет образование каллуса, а в последствии и морфогенез. Работ, в которых в качестве исходного материала использовались ткани взрослых растений, относительно немного. Основная труд­ность при размножении тканями взрослых растений — это гибель эксплантата на первых или последующих этапах культивирования.

Серией экспериментов с каллусными культурами, проведенны­ми независимо советским биологом Р. Г. Бутенко и американским исследователем Ф. Стюардом, было показано, что каллусная клет­ка способна превратиться в клетку, дающую начало зародышу растения. Такая клетка функционально подобна оплодотворенной яй­цеклетке или зиготе. Это явление называется соматическим эмбри­огенезом в культуре тканей.

Особой формой культивирования клеток является культивиро­вание изолированных протопластов — клеток, лишенных внешней деллюлозно-пектиновой оболочки. «Голые», окруженные лишь плазмалеммой клетки имеют ряд замечательных свойств и прежде всего способность к слиянию. Сливаться могут изолированные про­топласты разных видов растений. В результате возникает гибрид­ный протопласт, который можно отделить и заставить восстановить клеточную структуру. Образуется обычная по внешнему виду клет­ка, способная к культивированию в пробирке и образованию цело­го растения, но уже гибридного. Этот метод открывает широкие возможности для гибридизации, помогая преодолеть несовмести­мость родительских форм.

Древесные виды растений оказались очень трудным объектом для размножения in vitro. Тем не менее прогресс в этой области наблю­дается. Используя общепринятые методы селекции, в условиях Ка­нады улучшенные семена могут быть получены с лесосеменных плантаций только через 35 лет. Применение биотехнологии культу­ры тканей ускоряет этот процесс в три раза (S. Hashain, W. Cheliak, 1986). Для Новозеландской лесоводственной программы требуется ежегодно 75 млн сеянцев сосны замечательной, для чего необходимо провести 500000 контролируемых скрещиваний. Методом клональ-ного микроразмножения с одного гибридного семени в течение ше­сти месяцев можно получить более 250 побегов для черенкования и укоренения (S. Biondi, 1986).

Масштабные исследования по индуцированию органегенеза у различных представителей хвойных проведены и в России. Для 15 видов хвойных разработана технология клонального микроразмно­жения с использованием ювенильного материала. Преодолены труд­ности по укоренению получаемых в культуре побегов; перенесен­ные в почву растения развивались нормально. От одной инициали в течение года можно получить от 600 до 2 000 жизнеспособных ра­стений в зависимости от породы (Т.С. Момот, 1988).

Для некоторых древесных пород разработана специфическая ме­тодика культуры тканей: для размножения Acer rubrum используется каллус верхушки побега; ольхи — каллус эпикотиля и верхушки по­бега; березы повислой — каллус стебля и пыльников; Castanea sativa — каллус апекса зародыша и верхушки побега; Corylus avellana — апек­са зародыша. Для ели европейской в качестве эксплантата использу­ются мегагаметофиты и зародыши; для сосны обыкновенной — хвоя. Как наиболее перспективный способ микроразмножения древесных растений рекомендуется индуцирование соматического эмбриогенеза как на эксплантатах, так и через культуру каллуса (Y.P.S. Bajaj, 1986). Ниже приводятся более подробные сведения о вышеупомянутых ме­тодах селекции, в том числе и лесных древесных пород.

Дата добавления: 2015-05-06