3.3. Техника гибридизации

Проведение контролируемых скрещиваний лесных деревьев — очень дорогое и долговременное мероприятие. Поэтому прежде чем его проводить, составляют схему (план) скрещиваний, при разра­ботке которой стараются сделать так, чтобы можно было одновре­менно достичь нескольких целей. Различают самоопыление, систе­мы скрещиваний с неизвестными отцами (свободное опыление и поликросс) и системы скрещивания с известными отцами. Планы скрещиваний составляют, собственно говоря, только для последней группы скрещиваний. Различают полную схему диаллельных скре­щиваний, модифицированную схему диаллельных скрещиваний, мистичные схемы диаллельных скрещиваний, факториальную схе­му скрещиваний, простые скрещивания (В. Zobel, J. Talbert, 1984, И. Ditlevsen, 1985).

Полная схема диаллельных скрещиваний (рис. 3.1) считается од­ной из лучших, поскольку включает все возможные варианты скрещивания и дает почти полную информацию о генетических харак­теристиках изучаемых клонов. Схема может давать информацию об ОКС и СКС и их дисперсиях. Материал также создает лучшую стар­товую точку для отбора наилучших индивидуумов или пар клонов, подходящих для создания биклоновых плантаций. Схема, к сожа­лению, очень трудна для осуществления, особенно с экономичес­кой точки зрения. Например, для реализации полной диаллельной схемы для 20 клонов надо провести 400 контролируемых скрещива­ний или 380, если исключить самоопыление. Поэтому в практике используют другие схемы (рис. 3.2-3.4).

Модифицированная схема диаллельных скрещиваний представ­ляет собой ограниченную диаллельную схему скрещиваний. В этом случае из полной схемы исключаются реципрокные скрещивания и самоопыления (рис. 3.2), что значительно удешевляет реализацию схемы. Эта схема дает примерно такую же информацию, как и пол­ная схема диаллельных скрещиваний, но ограничения, допущен­ные в схеме, не гарантируют такой же точности в опытах при опре­делении параметров.

Частичная схема диаллельных скрещиваний может отличаться от полной и модифицированной схемы диаллельных скрещиваний настолько, что один клон не скрещивается со всеми другими кло­нами (рис. 3.3). Схема менее эффективна, чем схемы полных и мо­дифицированных диаллельных скрещиваний. Однако это компенсируется тем, что большое количество потомства может быть испы­тано при довольно низких затратах. К сожалению, отсутствие оце­нок, которые нельзя получить в частичных схемах, значительно ус­ложняют расчеты.

Рис. 3.1. Полная схема диаллельных скрещиваний: X — самоопыление

Рис. 3.2. Модифицированная схема диаллельных скрещиваний

Рис. 3.3. Частичная диаллельная схема Брауна

Факториальная схема скрещивания отличается тем, что в ней все материнские клоны скрещиваются с одними и теми же отцовскими клонами (рис. 3.4). Часто это может быть небольшое число отцовс­ких растений, называемых также общими тестерами. Данная схема может также рассматриваться как разновидность полной диаллельной схемы, включающей все комбинации одной группы матерей и другой группы отцов. Схема очень распространена в США под на­званием Северо-Каролинская II. Нормально четыре различных отца используются для схемы скрещивания, но, как правило, число от­цов в схеме зависит от значения специфических комбинационных эффектов. Так как схема часто включает очень немногое количе­ство отцов и одни и те же клоны не являются одновременно мате­ринскими и отцовскими, то трудно сравнить ОКС каждого родите­ля. Трудно также отобрать потомство для следующего поколения семенных плантаций, особенно если используется только несколь­ко отцов, являющихся часто уже родственными друг другу. Преиму­щество этой схемы в простоте ее выполнения и относительной де­шевизне; в то же время анализ результатов легче.

Рис. 3.4. Факториальная схема скрещивания

Простое скрещивание пар характеризуется тем, что в этом слу­чае каждый клон включен только один раз — как мать или как отец. Эта схема особенно хороша, если целью является создание популя­ции для отбора особей для новых семенных плантаций или для ис­пользования в дальнейшей селекционной работе. Другим преиму­ществом использования простого скрещивания пар является то, что большое количество клонов может быть испытано при одинаковой схеме, и обычно очень дешево может быть получено потомство на базе контролируемых скрещиваний. С другой стороны, возможно­сти оценки ОКС и дисперсии ОКС и СКС обычно не очень хоро­ши. Выбор соответствующей схемы зависит от цели контролируемых скрещивании. В табл. 3.3 суммированы достоинства и недо­статки названных схем.

При планировании скрещиваний следует учитывать ряд особенно­стей исходного материала, отмеченных С.С. Пятницким (1961):

• для получения крепкого потомства необходимо отбирать для скрещивания здоровые неистощенные экземпляры;

Таблица 3.3

Сравнение схем скрещиваний

(по В. Ditlevsen, 1985)

• у молодых растений выход гибридных семян и плодов выше, чем у старых;

• при скрещивании с местными видами полученные гибриды больше уклоняются в их сторону;

• при скрещивании культурной формы с дикой уклонение идет в сторону последней;

• при скрещиваниях материалов из географически отдаленных местностей или экологически неоднородных условий местопроиз­растания больше вероятности получить хозяйственно ценные гиб­риды;

• чем более отдаленные в филогенетическом смысле исходные пары, тем труднее проводить скрещивания; при этом результаты, полученные для пар в пределах секции, могут оказаться выше ре­зультатов, полученных для более отдаленных пар.

Искусственные скрещивания можно проводить на стоящих де­ревьях, привитых деревьях, срезанных (укорененных или не укорененных) ветвях, на поваленных деревьях.

При скрещиваниях на стоящих деревьях для подъема в крону ис­пользуются лестницы, подмостки или специальные подъемники. Работа на стоящих деревьях трудоемка и опасна.

Проще работа на привитых деревьях ввиду возможности осуще­ствить все желательные комбинации независимо от местообитания , исходных особей. Так как привойный материал можно собирать и перевозить даже с одного континента на другой, то участки для скре­щивания можно создавать и с географически отдаленными растениями и видами. Прививку ветвей можно осуществлять на подвои, высаженные в сосуды. Известен метод бутылочной прививки, ко­торый состоит в соединении больших цветоносных ветвей с такими подвоями. При этом привой до срастания снабжается водой из бу­тылки. Этот метод используется для березы, ольхи, тополя, вяза.

Скрещивания на срезанных ветвях, помещенных в сосуды с во­дой, применяются у тополей, ив, ильмовых и некоторых других по­род. Ветви нарезают в конце зимы. Чем ближе к естественным сро­кам цветения заготавливают ветви и чем они крупнее, тем успеш­нее результаты гибридизации. Женские ветви рекомендуется наре­зать длиной 1 м и больше. Скрещивания лучше проводить в поме­щении с регулируемой температурой и влажностью.

Скрещивания на поваленных (или подваленных) деревьях значи­тельно упрощают работу. Однако недостатком является разовое ис­пользование отобранных деревьев и невозможность быстрого по­вторения наиболее удачных скрещиваний (если это не клонирован­ные особи).

Цветки на отобранных для проведения гибридизации женских особях за 1-2 недели до скрещивания подвергаются изоляции и ка­страции во избежание неконтролируемого опыления. При кастра­ции удаляют мужские генеративные почки, цветки или часть цвет­ков на ветвях, подлежащих изоляции. Обычно кастрация у обоепо­лых цветков выполняется путем выщипывания тычинок пинцетом. Однополые мужские цветки и генеративные почки удаляются пол­ностью. У двудомных и однодомных растений с однополыми цвет­ками, у которых последние пространственно разобщены, кастра­цию не производят.

Для изоляции женских цветков и соцветий применяются изоля­торы из различных материалов: синтетическая пленка (полиэтилен, целлофан); пергаментная бумага; бумага, пропитанная водооттал­кивающим составом; ряд тканей. Преимущества и недостатки каж­дого вида материала показаны в табл. 3.4. Предпочтение в практичес­кой работе отдается пакетам из пергамента (см. рис. 3.5 на вклейке). При изоляции необходимо следить за тем, чтобы в месте привязки пакета не оставалось щелей для залета пыльцы. Для уплотнения, а также обеспечения воздухообмена используют вату в месте привяз­ки пакета.

Размеры изоляторов зависят от размеров изолируемых ветвей или цветков. Они могут колебаться от 2-3 х 7-10 см до 20-40 х 50-60 см.

Пыльцу, необходимую для гибридизации, заготавливают забла­говременно за несколько дней до цветения (если используется све­жесобранная пыльца). Крупные мужские соцветия в почти зрелом возрасте обрывают и помещают в бумажные пакеты или специаль­ные эксикаторы, которые располагают в теплом помещении. Пос­ле подсыхания пыльники растрескиваются и пыльца собирается в специальные сосуды. Если мужские соцветия мелкие, они нареза­ются вместе с мелкими ветвями и раскладываются на бумаге в изо­лированных помещениях. После выделения пыльцы, ее просеива­ют для удаления примесей.

При несовпадении сроков цветения родительских форм, их тер­риториальной разобщенности и при дальних перебросках пыльцы прибегают к более ранним срокам ее получения на срезанных вет­вях в теплом помещении. Для нормального развития цветочных почек регулярно меняют воду или питательный раствор в сосудах и проводят подновление срезов.

Пыльца быстро теряет всхожесть, поэтому ее необходимо береж­но хранить. Перед закладкой на хранение ее надо просушить в те­чение одного или нескольких часов. Рекомендуется ее хранить в пробирках, не заполненных доверху и закрытых ватой. Пробирки с пыльцой

помещают в эксикатор с хлористым кальцием. Эксикатор хранят при температуре 3-5°С. Перед использованием пыльцу сле­дует проверить на всхожесть.

Опыление производится при помощи мягкой волосяной кисточ­ки. При смене сорта пыльцы кисточку надо тоже менять или стерили­зовать. При опылении цветков, изолированных в пакеты, применяют различные пыльцераспылители. Конец распылителя вводят в сде­ланный ножницами надрез пакета, впускают порцию пыльцы, а за­тем заклеивают отверстие лейкопластырем или изолентой. Для га­рантии опыление повторяют через 1-2 дня.

После появления завязей изоляционные пакеты можно снять (че­рез 10-14 дней). Но для сохранения плодов и семян необходимо бороться с энтомовредителями и другими повреждающими факто­рами. Для предотвращения разлета легких семян и смешивания с другими, а также повреждений птицами необходимо заранее зак­рыть завязи марлевыми мешочками.

Для различных видов древесных растений характерны разные технические приемы скрещиваний, часть из которых будет описана далее.

***

В заключение можно отметить, что гибридизация является весьма перспективным методом для получения соматического, адаптивного и генеративного гетерозиса. Применительно к лесным древесным породам этот метод особенно ценен для вегетативно размножаемых видов. С другой стороны, для перекрестно опыляемых видов этот метод требует доработки в плане последующего размножения полу­ченных ценных генотипов. Если полученные хозяйственно ценные формы размножать обычным семенным путем, то существует боль­шая вероятность потери отобранных ценных признаков.

Частично проблему могут решать биклоновые плантации, кото­рые создаются из родительских пар с высокой СКС или введение в поликлоновые плантации растений с высокой ОКС. Однако и в этом случае требуется отбор среди потомков, так как имеется высокая вероятность получения гибридов не только с хорошими, но и неже­лательными признаками.

Полное сохранение хозяйственно ценных признаков отобранных гибридов возможно только при вегетативном или апомиктическом размножении. Поэтому целесообразно было бы сосредоточить уси­лия на создании промышленных методов массового вегетативного (включая микроклональное) размножения хозяйственно ценных ге­нотипов лесных древесных пород, полученных в результате направ­ленной гибридизации. Кроме того, необходимо провести исследова­ния по разработке методов искусственного получения апомиктов от хозяйственно ценных форм лесных древесных пород.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое гибрид?

2. Перечислите цели гибридизации лесных древесных пород.

3. Какие задачи метод гибридизации позволяет решить при создании лесосеменных плантаций?

4. Охарактеризуйте конгруэнтные и инконгруэнтные скрещивания, их различия и значение.

5. Опишите характеристику комбинационных скрещиваний и принципы подбо­ра пар при их использовании.

6. Опишите трансгрессивные скрещивания и их отличия от гетерозисных.

7. Охарактеризуйте явление гетерозиса, его типы и категории. Приведите гипо­тезы, объясняющие проявление гетерозиса.

8. Опишите методы гибридизации: простые и сложные.

9. Как получают инцухт-гетерозисные гибриды?

10. Укажите предпочтительные методы гибридизации для растений с разными си­стемами размножения: самоопылителей, перекрестноопыляющихся и вегета­тивно размножающихся.

11. Приведите схемы диаллельных скрещиваний (полная, модифицированная, ча­стичная, факториальная) и простое скрещивание пар; их отличия, достоинства и недостатки.

12. Какими особенностями должен обладать исходный материал для получения успешных скрещиваний?

13. Как технически может осуществляться гибридизация лесных древесных пород?

14. Перечислите достоинства и недостатки различных типов изоляторов для цвет­ков древесных пород.

15. Охарактеризуйте режим хранения пыльцы и приемы искусственного опыле­ния и получения семян у лесных древесных пород.

Интродукция является первичным способом оценки наслед­ственной ценности организмов в новых условиях. Она нашла ши­рокое применение в различных странах Старого и Нового Света. В России наибольшее число опытов по интродукции лесных древес­ных пород осуществлено в Европейской части страны. Ниже пред­ставлены некоторые подходы и результаты этой работы.

4.1. Теоретические предпосылки интродукции лесных древесных пород

Под интродукцией растений ботаники понимают целеустремлен­ную деятельность человека по введению в культуру в данном есте­ственно-историческом районе растений (родов, видов, подвидов, сортов и форм), ранее в нем не произраставших, а так же перенос их в культуру из местной породы. Однако для лесной интродукции более уместно определение В.И. Некрасова (1980), который рассмат­ривает интродукцию как перенесение растений в новые природно-климатические условия за пределы естественного ареала или, при расширении площади искусственного выращивания растений, из района их испытания в культуре. Он не находит оснований считать перенос растений местной флоры в культуру интродукцией, т.к. он не связан с изменением географических условий, а приводит к из­менениям агротехнических и биоценотических условий для роста растений. Действительно, если придерживаться ботанического по­нятия, то практически все лесные культуры, тем более связанные с изменением породного состава насаждения, следует считать инт­родукцией. Это заметно усложнит методологические аспекты инт­родукции лесных пород (И.И. Дроздов, 1998).

Тесно связаны с интродукцией понятия акклиматизации и нату­рализации растений. Акклиматизация — одна из форм интродук­ции растений, когда приспособление популяции к новым условиям обитания происходит за счет генетических изменений на основе местного естественного отбора индивидуумов, более чем исходные формы приспособленных к новым условиям обитания. Это харак­терно для случаев переноса растений в условия, значительно отли­чающиеся от естественного ареала. И поэтому, если интродукция влечет за собой огромные потери среди репродуцированной в но­вых условиях популяции и выживание лишь отдельных уклоняю­щихся генотипов из интродуцированного экотипа, говорят об акк­лиматизации. Натурализация подразумевает такой исход интродук­ции, когда новые формы растений легко произрастают и успешно репродуцируют в новых условиях, не изменяя своей генетической конституции. Как правило, это характерно для того случая, когда климатические и другие условия вполне благоприятны, отвечают биологическим особенностям интродуцента и он приживается без изменения генотипа.

При выборе исходного материала для интродукции приходится считаться с климатическими условиями произрастания. Знания климата района, откуда привлекается исходный материал, имеет существенное значение. Поэтому в интродукции древесных пород некоторое время господствовала теория климатических аналогов Г. Майра, которая связывала успех интродукции с непременным сход­ством климатических условий естественного и искусственного аре­алов. Однако Н.И. Вавилов (1987) показал, что вопрос о климати­ческих аналогах не может решаться в упрощенном виде. В целом он находит, что теория Г. Майра заслуживает большого внимания, поскольку дала немалые практические результаты. Однако в отно­шении древесных видов современная теория интродукции требует учета экотипов, сложности вида, на что Г. Майр не обратил внима­ние. По мнению Н.И. Вавилова (1987), климатические аналоги дол­жны быть заменены экологическими аналогами, поскольку клима­тология и экология не равнозначны. Действительно, дальнейшее развитие теории интродукции подтвердили целесообразность эко-лого-исторического и эколого-географических методов. Прогнози­рование эффекта интродукции признано немыслимым без эколо­гического анализа.

Однако наиболее достоверные представления о возможностях интродукции дает опыт. Анализ предшествующего опыта интродук­ции — единственный способ определения степени адаптивности вида к новым условиям. В связи с этим широкое развитие получили методологические исследования по привлечению исходного мате­риала. При подведении итогов интродукции, объяснении ее поло­жительного или отрицательного опыта ориентируются на следующие методологические направления: сравнительный анализ клима­тических и эколого-географических условий естественного произ­растания растений, привлекаемых в интродукцию, и новых мест их испытания; исторический и флорогенетический анализ раститель­ности, из которой черпается материал для интродукции; изучение эколого-физиологических особенностей растений интродуцентов и изменчивости их анатомо-морфологического строения. Весьма важ­ны результаты изучения сезонно-ритмических изменений в разви­тии вегетативных и генеративных структур для познания процесса приспособления интродуцентов.

Введение в лесные культуры экзотов, как правило, связано в даль­нейшем с формированием интродукционной популяции. Вопросам создания интродукционных популяций на микро-эволюционном уровне уделил большое внимание В.И. Некрасов (1980). Использо­вание для интродукции растений не случайных популяций, а обла­дающих формовым разнообразием, повышает гарантию успеха се­менного размножения и получения более устойчивого потомства. Если интродуктор ставит своей задачей предсказать генетическую реакцию интродуцированных растений, то необходимо прежде всего изучить строение и состав исходных популяций и составляющих их

особей.

А.Я. Любавская (1982) отмечает, что успех интродукции данного вида часто определяется генетическим разнообразием вида. Инт­родукция экзотов — один из источников обогащения местной дендрофлоры и исходного материала для селекции. При интродук­ции ведется искусственный отбор по тем признакам, ради которых растения интродуцированы, а также по их устойчивости в новых ус­ловиях среды. Поэтому испытание интродуцентов должно быть по­ставлено на селекционно-генетическую основу. Для этого необхо­димо, чтобы в долгосрочной программе развития лесного хозяйства работа по введению интродуцентов была организованна на прочных селекционных принципах с организацией сортового семеноводства из отобранных по хозяйственно ценным признакам популяций и осо­бей. Селекционно-генетическая оценка интродуцированных видов включает испытание межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости экзотов и возможности отбора лучших популяций и форм для использования их при разведении в новых районах.

Придавая большое значение селекции и интродукции, В.И. Нек­расов (1986) считает необходимым отдельно выделять маточные особи, которые при первичной интродукции и в последующих по­колениях отличаются лучшими показателями роста, устойчивости И генеративного развития. От правильного выбора семян зависит успех интродукции. Поэтому разработка теоретических основ се­меноводства интродуцированных древесных растений — насущная задача семеноводов. Семеноводство интродуцентов может разви­ваться успешно только на селекционной основе с использованием и постоянным развитием опыта географических культур. Райт Дж. (1978) отмечает, что интродукцию прежде осуществляли преиму­щественно семенами неизвестного, часто не лучшего происхожде­ния. Установлено, что если интродуцированное дерево или насаж­дение дают 75 % продукции по сравнению с местной популяцией, то имеются основания продолжать проверку данного вида сравни­тельной оценкой различных климатипов и экотипов. А.Я. Любавская (1982) придает важную роль географическим культурам в прак­тической интродукции. Изучение интродуцентов должно предусмат­ривать накопление данных о влиянии географического происхож­дения и экологических условий на характер их роста и развития.