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, называютсясоматическими; онинаследуются 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 изменениюстроения 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 связаны 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.
- Глава 1
- 1.3. Программные подходы в селекции лесных древесных пород
- 1.4.1. Изменчивость живых организмов
- 1.4.2. Исходный материал для селекции лесных древесных пород
- Представленность отдельных форм у некоторых видов лиственных
- Глава 2.
- 2.1. Виды отбора
- 2.2. Массовый отбор
- 2.2.1. Теория массового отбора и возможность его использования в лесном хозяйстве
- 2.2.2. Отбор географических происхождений, или климатипов
- 2.2.3. Отбор лучших эдафотипов
- 2.2.4. Отбор лучших (плюсовых) насаждений
- 2.2.5. Отбор лучших (плюсовых) деревьев
- 2.2.6. Отбор в питомниках и среди семян
- 2.3. Индивидуальный отбор
- 2.3.1. Метод педигри
- 2.3.2. Клоповый отбор
- 2.3.3. Индивидуальный отбор у перекрестноопыляющихся растений
- Глава 3.
- Пионеры в области гибридизации растений
- 3.1.1. Комбинационные скрещивания
- 3.1.2. Трансгрессивные скрещивания
- 3.1.3. Гетерозисные скрещивания
- 3.2. Методы гибридизации
- 3.3. Техника гибридизации
- 4.2. Особенности интродукции лесных древесных пород
- 4.3. Некоторые аспекты размножения
- 5.1. Общие положения по использованию
- 5.2. Экспериментальный мутагенез в селекции лесных древесных пород
- 5.2.1. Возможности и направления экспериментального мутагенеза
- 5.2.2. Физические методы получения мутантов
- Глава 6
- 6.1.1. Особенности испытания лесных древесных пород
- 6.1.2. Генетическая оценка деревьев по их комбинационной способности
- 6.2. Понятие о селекционном и сортовом материале (термины и определения)
- 6.2.1. Селекционный улучшенный репродуктивный материал
- 6.2.2. Понятие о сорте лесных древесных растений
- 6.3.1. Задачи и виды сортоизучения и сортоиспытания
- 6.3.2. Методика сортоиспытания
- Планируемый размер выборки в зависимости
- От количества вариантов и значения заданной разницы 5
- Между сравниваемыми вариантами при сортоиспытании
- Лесных древесных пород (при измерении высот)
- 6.4. Сорторайонирование
- Глава 7
- 7.1. Содержание лесного семеноведения
- 7.2.1. Репродуктивный цикл
- 7.2.2. Жизнеспособность семян. Методы определения качества семян
- 7.2.3. Покой семян. Хранение и способы предпосевной обработки семян
- Глава 8
- 8.1. Термины и определения, используемые в лесном хозяйстве
- Организация постоянной лесосеменной базы.
- 8.2. Селекционная оценка насаждений и деревьев
- 8.2.1. Отбор плюсовых деревьев
- Некоторые показатели пд основных лесообразующих пород
- 8.2.2. Заготовка черенков и использование семян плюсовых деревьев
- 8.2.3. Отбор плюсовых насаждений
- 8.3. Лесосеменные плантации
- 8.3.1. Общая характеристика лесосеменных плантаций
- 8.3.2. Организация и освоение территории
- 8.3.4. Лесосеменные плантации повышенной генетической ценности, лсп-н
- 8.3.5. Архивы клонов и маточные плантации
- 8.3.6. Дополнение и реконструкция плантаций
- 8.4. Испытательные культуры
- 8.5. Культуры повышенной селекционной ценности
- 8.6. Постоянные и временные лесосеменные участки
- 8.7. Учет лесных селекционно-семеноводческих объектов
- Глава 9
- 9.1. Естественное вегетативное размножение
- 9.2. Аутовегетативное размножение древесных пород
- 9.3. Гетеровегетативное размножение древесных растений
- Глава 10 клональное микроразмножение древесных растений
- 10.1. Общая характеристика метода клонального микроразмножения
- 10.2. Организация работ по клональному микроразмножению растений
- 10.3. Питательные среды
- Состав некоторых питательных сред (из Ahuja, 1983, концентрация вещества указана в миллиграммах на литр)
- Условия культивирования и этапы микроразмножения
- Глава 11
- 11.1. Селекция сосны обыкновенной
- 11.1.1. Направление селекции и сортовой идеал сосны обыкновенной
- 11.1.2. Исходный материал для селекции сосны обыкновенной
- 11.1.3. Методы селекции сосны обыкновенной
- 11.1.4. Некоторые результаты селекции сосны обыкновенной
- 11.1.5, Репродукция селекционного материала сосны обыкновенной
- 11.2. Селекция сосны кедровой сибирской
- 11.2.1. Направление селекции
- 11.2.2. Исходный материал для селекции
- 11.2.3. Методы и результаты селекции
- 11.2.4. Репродукция ценных форм
- 11.3. Селекция ели европейской и ели сибирской
- 11.3.1. Направление селекции и сортовой идеал ели
- 11.3.5. Репродукция селекционного материала ели
- 11.4. Селекция пихты сибирской
- 11.4.2. Исходный материал для селекции пихты сибирской
- 11.4.3. Методы, некоторые результаты селекции и репродукция пихты
- 11.5. Селекция лиственницы
- 11.5.1. Направление селекции
- 11.5.2. Исходный материал для селекции
- 11.5.3. Методы и результаты селекции лиственницы
- Показатели роста искусственных гибридов лиственницы на подзолах; возраст 21 год (по данным а. В. Альбенского, 1959)
- 11.5.4. Размножение хозяйственно-ценных форм лиственницы
- Глава 12
- 12.1. Селекция дуба черешчатого
- 12.1.1. Направление селекции и сортовой идеал дуба черешчатого
- 12.1.2..Исходный материал для селекции дуба черешчатого
- Методы селекции дуба черешчатого
- 12.1.4. Некоторые результаты селекции дуба черешчатого
- 12.1.5. Репродукция селекционного материала дуба черешчатого
- 12.2. Селекция бука
- 12.2.1. Генофонд и исходный материал для селекции бука
- 12.2.2. Методы и результаты селекции бука
- 12.2.3. Размножение лучших форм бука
- 12.3. Селекция ильмовых
- 12.3.1. Направление селекции и сортовой идеал ильмовых
- 12.3.2. Исходный материал для селекции ильмовых
- 12.3.3. Методы и результаты селекции
- 12.4. Селекция ясеня
- 12.4.1. Направления селекции и исходный материал
- 12.4.2. Методы и результаты селекции
- 12.4.3. Воспроизводство лучших форм ясеня
- Глава 13
- 13.1. Селекция тополя
- 13.1.1. Направление селекции и сортовой идеал тополя
- 13.1.2. Исходный материал для селекции тополя Видовой потенциал рода Populus l.
- 13.1.4. Основные результаты селекции тополя
- 13.1.5. Размножение сортовых тополей
- 13.2. Селекция осины
- 13.2.1. Направление селекции и сортовой идеал осины
- 13.22. Исходный материал для селекции осины.
- 25 М; средний диаметр 26,5 см; запас
- 350 М3/га. Пораженность осиновым
- 13.2.2. Методы селекции осины
- 13.2.4. Результаты селекции осины
- 13.2.5. Размножение отселектированных форм осины
- 13.3. Селекция ивы
- 13.3.1. Направление селекции и исходный материал ивы
- 13.3.2. Методы и результаты селекции ивы
- 13.3.3. Воспроизводство сортового посадочного материала
- 13.4. Селекция березы
- 13.4.1. Направление селекции и сортовой идеал березы
- 13.4.2. Исходный видовой материал для селекции берез
- 13.4.3. Березы секции Costatae Regel
- 13.4.4. Березы секции Albae Regel
- 13.5. Селекция карельской березы
- 13.5.1. Направление селекции и сортовой идеал карельской березы
- 13.5.2. Исходный материал карельской березы
- 13.5.4. Репродукция селекционного материала, создание культур и плантаций
- 13.6. Селекция ольхи
- 13.6.1. Направление селекции и исходный материал
- 1. Секция Alnobetula w.D. Koch.
- 2. Секция Gymnothyrsus Spach.
- 13.6.2. Результаты селекционных исследований
- 13.6.3. Семеноводство ольхи
- Глава 14.
- 14.1. Селекция ореха
- 14.1.1. Направление селекции и сортовой идеал
- 14.1.2. Исходный материал
- 14.1.3. Методы селекции
- 14.1.4. Результаты селекции
- 14.1.5. Воспроизводство сортового материала
- 14.2. Селекция лещины
- 14.2.1. Направление селекции и сортовой идеал
- 14.2.2. Исходный материал для селекции
- 14.2.3. Методы селекции
- 14.2.4. Результаты селекции
- 14.2.5. Воспроизводство сортового материала
- 14.3. Селекция облепихи
- 14.3.1. Направление селекции и сортовой идеал
- 14.3.2. Исходный материал
- 14.3.3. Методы селекции
- 14.3.4. Результаты селекции
- 14.3.5. Воспроизводство сортового материала
- 14.4. Селекция жимолости
- 14.4.1. Исходный материал жимолости со съедобными плодами, сортовой идеал и некоторые результаты селекции
- 14.4.2. Размножение и агротехника выращивания жимолости
- 14.4.3. Создание промышленных плантаций жимолости
- Глава 15.
- 15.1. Лжетсуга Мензиса
- 15.2. Сосна скрученная
- 15.3. Сосна веймутова
- 15.4. Ель ситхинская
- 15.5. Селекция дуба красного (северного)
- 15.6. Селекция акации белой
- Глава 1. Селекция как наука. Общие принципы
- Глава 6. Генетическая оценка селекционного материала
- Глава 7. Лесное семеноведение как наука.
- Глава 8. Семенное размножение селекционно
- Глава 9. Вегетативное размножение лесных древесных пород 198
- Глава 10. Клональное микроразмножение древесных растений 209
- Глава 11. Селекция хвойных древесных пород 219
- Глава 12. Селекция твердолиственных древесных пород 261
- Глава 13. Селекция мягколиственных древесных пород 310
- Глава 14. Селекция орехоплодных и дикорастущих
- Глава 15. Селекция интродуцентов 447