ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2015, № 3, с. 222-232
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630:[631.527+631.528+631.524]
ОПЫТ СОЗДАНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФОРМ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ*
© 2015 г. В. Г. Лебедев, К. А. Шестибратов
Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН 142290 Московская обл., Пущино, просп. Науки, 6 E-mail: vglebedev@mail.ru Поступила в редакцию 02.12.2014 г.
Выведение новых форм лесных древесных пород на основе традиционных методов селекции -отбора и гибридизации, может занимать десятилетия. Получающие все большее распространение лесные плантации интенсивного типа требуют высокопродуктивных генотипов, обладающих определенными хозяйственно-ценными признаками. Современные методы селекции, основанные в том числе и на достижениях биотехнологии растений, позволяют значительно повысить генетическое разнообразие исходных форм и ускорить селекционный процесс. Наиболее перспективным направлением представляется создание трансгенных генотипов видов деревьев. Основное внимание при этом уделяется повышению продуктивности, изменению качества древесины, повышению устойчивости к вредителям и болезням. Исследования по оценки биобезопасности трансгенных деревьев не выявили существенных отличий от исходных родительских форм.
Лесная селекция, мутагенез, искусственная полиплоидизация, трансгенные растения, биобезопасность.
Селекция лесных видов деревьев - наиболее молодое направление в селекции растений человеком. Если искусственный отбор лучших форм зерновых культур насчитывает тысячелетия, а в античности уже были известны десятки сортов плодовых деревьев, то лесной селекции немногим более ста лет. Она ведет свою историю с середины XIX в., когда бурное развитие промышленности и сельского хозяйства способствовало резкому увеличению потребности в древесине. Происходящее одновременно с этим сокращение лесных площадей потребовало повышения продуктивности лесов и улучшения их состава.
Лесная селекция использует методы селекции сельскохозяйственных растений, но при этом имеет и отличия, вызванные большой продолжительностью жизни лесных видов деревьев и их длительным ювенильным периодом. По этим причинам селекционный цикл у лесных культур
* Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проектов № 14.607.21.0044 от 22 августа 2014 года (уникальный идентификатор КРМЕИ60714Х0044).
длится 8-20 лет, тогда как у полевых - всего 2-3 года (ЬаПг, 2008). Как объект селекции, лесные деревья стоят наиболее близко к плодовым культурам, отличаясь от них еще большей долговечностью и поздним вступлением в период репродукции. Селекция плодовых деревьев ведется в основном ради плодов, которые можно получить уже через несколько лет после посадки растений, тогда как правильная оценка таких свойств лесных пород, как продуктивность и качество древесины, возможна только в возрасте несколько десятков лет. Кроме того, биология лесных деревьев по сравнению с плодовыми изучена значительно хуже. По этим причинам основным методом лесной селекции остается отбор (массовый, индивидуальный, групповой), который для сельскохозяйственных растений использовался сотни и тысячи лет назад, причем используется однократный отбор. Гораздо более эффективный многократный массовый отбор применять в лесном хозяйстве практически невозможно - он займет десятки лет, поскольку надо каждый раз дожидаться начала плодоношения отбираемых лучших древесных растений (Коновалов, Пугач, 1978). Гибридизация в лесной селекции распро-
странена значительно меньше, так как она затруднена по ряду технических причин: цветение через много лет, большой размер деревьев и т.д. Кроме того, исключительно высокая степень гетерози-готности лесных деревьев в сочетании с поздним сроком репродукции и периодичностью плодоношения затрудняет применение близкородственных скрещиваний для получения чистых линий (Молотков и др., 1982). Все это приводит к дефициту нового материала для селекции, особенно такого, у которого уже в определенной степени известны его хозяйственно-ценные признаки. Вместе с тем, широко распространяющиеся с конца XX в. лесные насаждения интенсивного типа, или лесные плантации целевого назначения с коротким оборотом рубки, требуют повышенных затрат по закладке и уходу. Экономическая целесообразность требует использовать для таких плантаций только высокопродуктивные формы с известными ценными свойствами. Для выведения таких форм необходим быстро получаемый селекционный материал с уже известными признаками. В связи с этим все большее значение принимают методы, позволяющие получать новые формы лесных видов деревьев.
Начиная с середины XX в. в дополнение к традиционным методам селекции - отбору и гибридизации - стали появляться перспективные методы, которые дополняют классические, значительно повышая при этом генетическое разнообразие сортов и общую эффективность селекционного процесса (Машкина, Исаков, 2002). Эти методы, основанные на достижениях цитологии, генетики, эмбриологии, молекулярной биологии, включают мутагенез, полиплоидию, культуру ткани, генную инженерию. Как и в классической селекции, основными целями новых методов являются скорость роста, качество древесины, смолопродук-тивность, устойчивость к вредителям, болезням и абиотическим стрессам, декоративность.
МУТАГЕНЕЗ
Искусственный мутагенез является одним из важных источников создания исходного материала в селекции растений. С применением ионизирующих излучений и химических веществ было получено около трех тысяч сортов сельскохозяйственных культур, главным образом, зерновых, бобовых и декоративных. Однако эффективность действия мутагенов зависит от большого числа факторов, и полезные мутации при этом возникают крайне редко, не более одной-двух на тысячу (Царев и др., 2002). Возможно, что по этой при-
чине всплеск интереса к мутагенезу, который наблюдался в 60-70-е годы прошлого века, не привел к существенным результатам в лесоводстве. Разные авторы сообщали о получении мутантов ряда древесных лесных пород с интересными свойствами (Молотков и др., 1982), но мы не обнаружили информацию о сортах, выведенных таким способом.
ИСКУССТВЕННАЯ ПОЛИПЛОИДИЗАЦИЯ
Более перспективным направлением в селекции представляется искусственная полиплоидизация. В отличие от случайно появляющихся мутаций полиплоидия изучена достаточно хорошо. Многие формы растений являются полиплоидами - у древесных видов более трети всех родов имеют полиплодиные виды, хотя у голосеменных древесных естественная полиплоидия наблюдается очень редко (Царев и др., 2002). Полиплоидам в целом присущи увеличенные размеры и устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды.
Большой интерес в лесоводстве представляют триплоидные формы. На территории России первый спонтанный триплоид осины обнаружил А.С. Яблоков в 1938 г. в Костромской области и назвал ее шарьинской исполинской (Яблоков, 1941). Позднее такие же формы осины были найдены в Курской (Иванников, 1952) и Новосибирской областях (Бакулин, 1966). По данным этих авторов, триплоидные осины превосходят диплоидные по скорости роста, устойчивости к стволовым и корневым гнилям и ряду анатомо-морфометрических показателей. Помимо этого, триплоидные формы представляют большой интерес из-за своей, как правило, полной стерильности или пониженной фертильности. Однако поиск естественных полиплоидов в природе является трудным и непредсказуемым. Искусственно индуцированная полиплоидия дает возможность получить такие формы в лабораторных условиях. Самый прямой путь -регенерация побегов или соматических эмбрионов из зрелого или незрелого эндосперма. Однако этот метод сложен и вероятность успеха низка. Сообщения об успешных попытках для лесных деревьев единичны, например, таким способом удалось получить триплоиды сандалового дерева (Sita et al., 1980). Альтернативой этому служит индукция искусственных полиплоидов, в основном тетраплоидов, которые затем скрещивают с диплоидами. Полиплоиды получают главным образом с помощью ингибиторов митоза, в качестве которых наиболее часто используют алкалоид
колхицин и динитроанилиновые гербициды ори-залин и трифлуралин (Dhooghe et al., 2011).
Работы по индукции тетраплоидов in vivo лиственных проводились с видами Acacia (Blakes-ley et al., 2002), Platanus (Liu et al., 2007), Populus (Wang et al., 2013), причем в основном использовали семена или сеянцы. Для ускорения процесса получения триплоидов в работе Y. Li et al. (2008) женские почки Populus alba х P. glandulosa обработали 0.5%-м колхицином и опылили пыльцой P. tomentosa. В результате из 354 полученных сеянцев 12 имели триплоидный статус. Для хвойных известны работы по полиплоидизации криптомерии японской (Contreras, Ruter, 2010) и трех видов туи (Contreras, 2012). В них тетраплоиды были получены обработкой сеянцев 150-микро-молярным раствором оризалина, причем для туи наблюдались существенные различия между видами. Тетраплоиды криптомерии с большой точностью удалось идентифицировать по фенотипу, но для видов туи из-за большой изменчивости между сеянцами этого сделать не удалось (Contreras, Ruter, 2010; Contreras, 2012).
В культуре in vitro тетраплоиды лесных видов получали разными способами. Для этого использовали обработку колхицином семян карельской березы in vitro (Бутова и др., 1993), листовых экс-плантов Populus pseudo-simonii с последующей регенерацией (Cai, Kang, 2011), кончиков побегов четырех генотипов Populus и Robinia pseudoacacia (Ewald et al., 2009), сегменты побегов Eucalyptus grandis (Han et al., 2011), эмбриогенный каллус Paulownia tomentosa (Tang et al., 2010). Каллус-ная культура пыльникового и соматического происхождения также была успешно использована для получения тетраплоидов различных видов и форм тополя (Бутова и др., 1993). О.С. Машкина и Ю.Н. Исаков (2002) сообщали, что из различных способов получения тетраплоидов тополя (in vivo, in vitro) лучшие результаты дало использование метода культуры ткани.
Еще одним способом получения полиплоидных форм, помимо использования антимитотических агентов, является сомаклональная изменчивость. Она сп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.