Популяционно-клоновая
селекция ив
дополненная и исправленная HTML-версия раздела Организация селекции ив на получение коллекций клонов и сохранение исходного разнообразия ранее опубликованной монографии:
Афонин А.А. Методологические принципы создания устойчивых высокопродуктивных насаждений ив (на примере автохтонных видов Salix Брянского лесного массива). – Брянск: РИО Брянского государственного университета, 2005. – 146 с.: ил.
УДК 634.956.58 + 634.928.53 + 582.623
Содержание
Организация селекции ив на сохранение исходного разнообразия
I этап. Создание первичных семей (F0)
II этап. Создание вторичных семей, или отводков (F1)
III этап. Межсемейный (индивидуально-семейный) отбор
IV этап. Семейно-групповой отбор
V этап. Клоновый отбор (отбор рамет)
Необходимым и достаточным условием устойчивости насаждений является оптимальный уровень видового и внутривидового (генетического) разнообразия, при котором уровень конкуренции между клонами (биотипами) сведен к минимуму. Чистые (одновидовые) насаждения должны быть поликлональными (включать комплементарные клоны одного вида ив), а смешанные – должны включать комплементарные клоны разных видов. Для создания поликлональных насаждений необходимо получение, хранение и постоянное обновление коллекций высокопродуктивных клонов. Несомненно, исходный материал может быть получен из природных популяций. Однако этот материал нуждается в селекционной «доводке», по крайне мере, до уровня селекционно-улучшенного.
Клоновая селекция, основанная на поиске плюсовых деревьев (особей) в природе и их вегетативном размножении, на наш взгляд, не лишена определенных недостатков. Необходимость проверки отобранных в природе клонов на константность признаков требует не менее 2–3 поколений отбора рамет – это обычные издержки любой селекционной системы. Значительно хуже то, что селекционер в качестве исходного материала использует только часть генетического потенциала природных популяций. Если же в качестве исходного материала используются семена, собранные с особей не только самых продуктивных, но и с типичных или обладающих некоторыми исключительными признаками, то существенного (многократного) снижения уровня биоразнообразия не происходит.
Для выявления ценных генотипов, их размножения и использования для создания высокопродуктивных насаждений мы рекомендуем популяционно-клоновую систему селекционного процесса, основанную на семенном возобновлении и негативном отборе в семьях. Акцент на негативный отбор позволяет сохранить высокий уровень биоразнообразия среди наиболее продуктивных клонов.
вернуться к началу назад далее
Как известно (Райт, 1978; Старова, 1980; Любавская, 1982; Царёв и др., 2003), селекционным процессом называется комплекс мероприятий, выполняемых селекционером от начала работы до создания нового сорта (породы, штамма): получение исходного материала для отбора, собственно отбор и испытание. Таким образом, цель традиционной селекции – создание интенсивного сорта–клона с требуемыми хозяйственно-ценными показателями.
По нашим представлениям, конечная цель современной селекции ив – создание коллекций клонов, которые могут и должны использоваться для создания устойчивых высокопродуктивных насаждений. Таким образом, селекционный процесс должен быть направлен на создание не одного или немногих наиболее ценных сортов, а на получение множества комплементарных (взаимодополняющих) клонов с высокими хозяйственно-ценными показателями, например, с высокой продуктивностью.
При селекции на высокую продуктивность, на сохранение генетического разнообразия и устойчивость насаждений преимуществом обладает генофонд местных природных популяций, адаптивные признаки которых сформировались на протяжении множества поколений естественного отбора в самых разнообразных условиях. Разнообразие исходного материала определяется его видовым и внутривидовым разнообразием, а также разнообразием гибридов.
вернуться к началу назад далее
Как известно (Вавилов, 1935), исходным материалом в селекции служит все генетическое многообразие дикорастущих и культивируемых растений. На наш взгляд, исходный материал для селекции ив можно классифицировать следующим образом.
1. Природные популяции аборигенных видов. Исходным материалом являются особи с типичными видовыми признаками (в т.ч. с комплексами признаков, характерными для известных форм); особи с отдельными исключительными признаками (плакучие, узколистные, ярко окрашенные); особи, значительно уклоняющиеся от типа вида по совокупности признаков, в т.ч. и предположительные гибриды.
2. Культивируемые клоны (культивары): разводимые в настоящее время, а также вышедшие из производства, но представляющие генетическую и селекционную ценность по отдельным параметрам. Включают клоны аборигенных видов, индуцированных видов, гибридного происхождения с известной родословной, гибридного происхождения с неизвестной родословной.
Гибридизация как способ получения принципиально нового исходного материала занимает едва ли не центральное положение в селекции ив (Старова, 1980). Как известно (Сукачев, 1939; Морозов, 1950; Правдин, 1952; Левицкий, 1965; Шабуров и др., 1998; Dawson, McCracken, 1998), гибриды обладают отдельными хозяйственно-ценными признаками (высокие декоративные качества, высокое качество прута). Однако адаптивность хозяйственно-ценных признаков для самих растений сомнительна, что выражается в низкой конкурентоспособности гибридов (Čhmelar, Meusel, 1976). Кроме того, крайне низкий уровень генетического разнообразия среди культивируемых гибридных форм и частое бесплодие гибридов не позволяют использовать их в качестве материала для дальнейшей селекции (исключение составляют некоторые сложные фертильные гибриды, способные скрещиваться между собой и чистыми видами).
Поэтому при селекции ив на высокую продуктивность, на сохранение генетического разнообразия и устойчивость насаждений преимуществом обладает генетический материал, полученный из естественных насаждений. Прежде всего, популяции аборигенных видов характеризуются собственным генофондом, адаптивные комплексы этих видов сформировались на протяжении множества поколений естественного отбора в самых разнообразных условиях, устойчивость многовидовых насаждений – это результат длительной коэволюции. Кроме того, нами показано (глава 6), что при семенном возобновлении аборигенных видов выщепляются самые неожиданные формы.
Дальнейшая селекция с акцентом на негативный отбор (за счет выбраковки однозначно малоценных сеянцев) позволяет сохранить значительную часть генотипов (биотипов). В результате искусственные популяции, очищенные от нежелательных аллелей, могут использоваться для дальнейшей селекции.
Мы предлагаем различать первичный исходный материал (известного происхождения, но практически не затронутый селекционным процессом) и вторичный (селекционно-улучшенный). Основу первичного и вторичного материала составляют генеты (сеянцы) и раметы (клоны).
Совокупность сеянцев, выращенных из семян, собранных с одной материнской (пестичной) особи, образует первичную семью. Различия между одновозрастными членами одной семьи, выращенными в однородных условиях, обусловлены, в первую очередь, генетическими факторами (разумеется, если пренебречь материнским эффектом). При инбредном размножении семьи «в себе» каждая пестичная особь может стать родоначальницей семьи второго порядка – отводка (и далее отводков второго и высших порядков). Совокупность всех первичных и вторичных семей одного вида образует модельную (искусственную) популяцию, в которой уровень разнообразия находится под контролем селекционера.
Совокупность рамет, полученных от одной особи, образует первичный клон – множество генетически однородных особей. При повторном черенковании создается вторичный материал – клоны второго, третьего и высших порядков, генетически идентичные по отношению друг к другу и первичному клону (при отсутствии соматических мутаций). Однако, на наш взгляд, использование рамет в качестве исходного материала нецелесообразно, поскольку различия (или сходство) между саженцами, выращенными из черенков, взятых от разных особей, могут быть обусловлены негенетическими факторами. В этом случае для отсева длительных (пролонгированных) модификаций потребуется 2–3 поколения клонового отбора. В то же время, черенки, взятые от исключительных особей (плакучих, узколистных, ярко окрашенных), вполне могут быть использованы как родоначальники декоративных клонов.
К исходному материалу мы предъявляем два основных требования: высокие хозяйственно-ценные показатели материнских особей (например, высокая продуктивность) и разнообразие. Разнообразие исходного материала определяется его видовым и внутривидовым разнообразием, а также разнообразием гибридов. Видовое разнообразие определяется числом видов, рекомендуемых для культивирования; внутривидовое разнообразие – морфологическими различиями материнских особей из сходных и разных местообитаний; разнообразие гибридов – сбором семян в смешанных насаждениях в разных местообитаниях и в разное время, что обеспечивает разнообразие доноров пыльцы.
вернуться к началу назад далее
На наш взгляд, основным объектом отбора при селекции ив является семья, второстепенными объектами – отдельные особи и клоны. Тогда основными методами отбора являются: индивидуальный внутрисемейный, индивидуально-семейный, индивидуальный внутриклоновый и индивидуально-клоновый методы. Кроме термина «методы отбора» мы предлагаем использовать термины: «типы отбора» (бесповторный (однократный и многократный) и повторяющийся), «формы отбора» (позитивный, негативный, модальный и отбор на разнообразие), «стадии отбора» (многоступенчатый отбор на разных стадиях онтогенеза) и «этапы отбора» (на разных этапах существования модельных популяций).
вернуться к началу назад далее
В соответствии с методами, типами, формами, стадиями и этапами отбора нами разработана популяционно-клоновая система селекционного процесса, включающая следующие этапы.
вернуться к началу назад далее
Начинается с выбора маточно-семенных особей, сбора и посева семян, выращивания сеянцев в контейнерах и высаживания их в открытый грунт (в школу сеянцев) для доращивания до генеративного состояния.
В первичных семьях проводится многоступенчатый (постадийный) индивидуальный отбор. Выбор маточных особей – это уже первая стадия отбора: выбираются хорошо развитые растения без явных повреждений, или типичные для данного местообитания (модальный отбор), или, наоборот, с отдельными исключительными признаками (позитивный отбор). Вторая стадия отбора производится по семенам: отсеиваются щуплые и уродливые семена (негативный отбор). В ходе прорастания семян и развития всходов происходит естественная гибель части растений (негативный отбор). При пикировке сеянцев в контейнеры слабые сеянцы выбраковываются (негативный отбор). В то же время слабые сеянцы с исключительными признаками (пестролистные, с очень яркой окраской побегов или, наоборот, светло-зеленые, с необычной морфологией листьев, с обильным силлептическим побегообразованием и т.п.) сохраняются для дальнейшего изучения (позитивный отбор). Осенью проводится выбраковка (негативный отбор) слабых, уродливых и поврежденных сеянцев. Зимой происходит естественная гибель части сеянцев.
На второй год жизни (весной или в первой половине лета) сеянцы высаживаются в открытый грунт (в питомник исходного материала), и выбраковываются сеянцы, у которых верхушка побега после зимовки отмирает более чем на 1/3 (негативный отбор). Способ посадки двух- или трехрядный (гексагональный) при расстоянии между сеянцами 0,5 м. На наш взгляд, в школе сеянцев вполне допустима совместная высадка нескольких семей одного вида при условии четкого отграничения семей друг от друга. В открытом грунте в течение 2–3 лет происходит естественная гибель части сеянцев.
В питомнике исходного материала в течение 1…2 лет происходит естественная гибель части сеянцев. Параллельно в начале, середине и конце лета производится комплексная оценка, и сеянцы, явно отстающие в росте, выбраковываются (негативный отбор). Для заполнения брешей возможно использование сеянцев той же семьи данного вида или сеянцев других четко отличимых видов (например, подсадка S. acutifolia к S. viminalis). В возрасте 2…3 лет производится перешколивание семей, и формируется селекционный питомник.
По достижении генеративной зрелости (которая определяется появлением генеративных почек у видов с генеративными почками caprea–типа или путем контрольной ранневесенней выгонки почек у видов с генеративными почками alba–типа) проводится негативный отбор в семьях. На наш взгляд, поводом для окончательной браковки, независимо от направления селекции, являются следующие признаки: склонность к образованию розеток, полегающие побеги, невыравненность однотипных побегов, слабая пигментация однолетних побегов, заметная поражаемость грибковыми заболеваниями или подозрение на пораженность вирусами. В то же время, не следует спешить с выбраковкой особей, ослабленных листогрызущими вредителями. В первую очередь выбраковываются слабые тычиночные особи, однако исключительные пестичные особи маркируются и оставляются для дальнейших исследований (отбор на разнообразие). В качестве маркёров возможно использование механических меток (бирки, цветные ленты) или генетически обусловленных комплексов признаков (например, ярко-желтая окраска покровов однолетних побегов в сочетании с крупными прилистниками и штопоровидными листьями). Вполне возможна пересадка таких особей в отдельный пространственно изолированный коллекционный питомник.
После выбраковки на данном участке оставляется только одна семья одного вида с наименьшими потерями в ходе многоступенчатого отбора. Остальные семьи или уничтожаются (при очень больших потерях) или архивируются путем черенкования. При совместном выращивании видов с неперекрывающимися сроками цветения возможно сохранение на участке по одной семье каждого вида в соответствии с принципом «один вид – одна семья». Возможно также сохранение семей других видов в прегенеративном состоянии. При совместном выращивании видов с неперекрывающимися сроками цветения (например, S.dasyclados, S.viminalis, S.triandra) возможно сохранение на участке по одной семье каждого вида в соответствии с принципом «один вид – одна семья». Возможно также сохранение семей других видов в прегенеративном состоянии (например, одна цветущая семья S.triandra и нецветущие семьи S.alba и ее гибридов). В результате селекционный питомник постепенно преобразуется в маточно-семенную коллекцию.
вернуться к началу назад далее
По достижении генеративной зрелости с оставленных пестичных особей собираются семена, которые используются для создания семей второго порядка (отводков первичных семей). В отводках повышается вероятность гомозиготизации – объединения одинаковых аллелей (вариантов генов и супергенов) и, как следствие, выщепления рецессивных признаков (при полном доминировании) или усиления полудоминантных признаков (при неполном доминировании). При этом возможно выщепление гомозигот с желательными или нежелательными признаками, что делает возможным как позитивный, так и негативный отбор. Отбор в отводках ведется так же, как и в первичной семье. Сравнительный анализ развития сеянцев в первичной семье и в семьях второго порядка позволяет выявить закономерности наследования отдельных признаков и комплексов признаков: прямое наследование (для доминантных моногенных признаков) и сложное наследование (для полудоминантных, рецессивных и полигенных признаков). Кроме того, происходит оценка первичной семьи по потомству (исключается материнский эффект, возможный в семьях первого порядка).
На I и II этапах селекционного процесса уровень генетического разнообразия в семье снижается за счет многоступенчатого искусственного и естественного отбора. В то же время, селекционер выявляет биотипы, отсутствующие в природе: это возможно благодаря инбридингу и устранению действия стабилизирующего отбора, существующего в природе. За счет многоступенчатого отбора в двух поколениях происходит очистка семьи от нежелательного генетического материала. Однако исключительные пестичные особи, не обладающие ценными признаками, сохраняются и используются для дальнейшего изучения изменчивости ив. Таким образом, отбор на продуктивность (и иные хозяйственно-ценные признаки) совмещается с отбором на разнообразие.
вернуться к началу назад далее
Совокупность семей одного вида образует модельную популяцию с высоким уровнем генетического γ–разнообразия. Структура генофонда модельной популяции контролируется селекционером.
Раздельное выращивание семей (в соответствии с принципом диспергированных насаждений) повышает надежность сохранения исходного материала и параллельно снижает вероятность поражения множества генотипов множеством патогенов. При выращивании разных семей в однородных эдафо-фитоценотических условиях возможно их сравнение и использование модифицированного метода «педигри» (англ. pedigree – родословная), основанного на отборе лучших семей с оценкой их потомства. Как известно, метод «педигри» малоэффективен при селекции перекрестноопыляющихся растений, однако он позволяет точнее оценивать исходный материал и контролировать его генетическое разнообразие.
Таким образом, при индивидуально-семейном отборе оцениваются и бракуются не отдельные особи, а целые семьи, в отводках которых велика доля растений с нежелательными признаками. Браковка семьи по исходным особям (F0) означает её полное уничтожение. Браковка же по потомству не исключает сохранения отдельных исходных особей с хозяйственно-ценными признаками: эти особи могут быть использованы как родоначальники производственных клонов; необходима лишь тщательная маркировка таких особей с тем, чтобы не допустить их использования в качестве маточно-семенных. Обнаруженные особи с исключительными признаками также оставляются для дальнейшего изучения.
При позитивном индивидуально-семейном отборе возникает проблема контроля. Если в распоряжении селекционера имеется стандартный районированный сорт (клон), то сохраненные семьи должны обладать не худшими показателями. Например, при селекции декоративных ив в условиях Брянской области в качестве контроля может быть использован культивар ивы плакучей. При отсутствии стандартного районированного сорта неизбежно введение плавающего или условного контроля. В качестве такого контроля могут быть использованы лучшие семьи или их виртуальные модели. Например, идеальная семья, оцениваемая по качеству прута, должна включать только особи, дающие длинный прямой неполегающий прут без силлептических побегов. В этом случае для оценки семьи по прямым признакам необходима посадка на пень исходных особей (F0), а затем и их потомков (F1) с последующей короткой обрезкой годичных побегов в течение 1–2 лет. Срезанный прут используется для получения черенковых саженцев и их доращивания в соответствующей школе, предварительного испытания клонов, а также для создания резерва для дальнейшего семейно-группового отбора. Семьи, успешно прошедшие проверку по потомству, могут быть использованы для получения черенков и клонирования. Тогда маточно-семенная плантация переводится в состояние маточно-черенковой, но лучшие сеянцы (или их раметы) должны использоваться и как материал для дальнейшего семейно-группового отбора.
Однако описанная схема использования плавающего контроля мало пригодна при селекции на разнообразие и устойчивость; кроме того, реальные семьи из-за постоянного расщепления при семенном размножении далеки от виртуального идеала. Акцент на негативный отбор позволяет устранить это противоречие: лучшие семьи выделяются в результате браковки худших.
Рассмотренные этапы основаны на аналитических методах селекции. Последующие этапы – это уже синтез, объединение семей, биотипов, клонов в реальные искусственные клонально-амфимиктические популяции.
вернуться к началу назад далее
По результатам индивидуально-семейного отбора лучшие сеянцы (или их раметы) из семей, успешно прошедших проверку по потомству, объединяются в группы – маточно-семенные коллекции, каждая из которых культивируется на собственном пространственно изолированном участке. В таких синтезированных насаждениях уровень генетического разнообразия выше, чем в односемейных коллекциях, и, в то же время, доля нежелательных генов меньше, чем в естественных насаждениях.
Возможно два крайних варианта формирования гетерогенных маточно-семенных коллекций. В первом случае в группу объединяются особи, фенотипически сходные по селектируемым признакам, но происходящие из разных семей: это типичный семейно-групповой отбор, направленный на предотвращение инбредной депрессии и одновременное сохранение комплекса селектируемых признаков. Во втором случае в группу объединяются лучшие особи из разных семей с разными признаками (например, с разными ритмами развития побегов, с разной архитектоникой и т.д.). На наш взгляд, при селекции ив второй вариант более перспективен, т.к. позволяет не только сохранить достигнутый уровень разнообразия, но и открывает возможности для получения новых комплексов признаков. Насаждения такого типа представляют собой тщательно отселектированный и в то же время генетически разнообразный вторичный материал для дальнейшей селекции.
вернуться к началу назад далее
Это заключительный этап отбора, который преследует две цели: отсев модификаций (в т.ч. длительных, или пролонгированных) и выявление соматических мутаций. В то же время клоновый отбор тесно связан с предварительными испытаниями сорта, прежде всего, с испытаниями на устойчивость в течение ряда лет в разных условиях. Поэтому раметы одного клона должны быть разделены на группы, каждая из которых в течение 2–3 поколений выращивается в определенных эдафо-фитоценотических условиях, например, в определенных участках поймы, на склонах, на водоразделах, на плакорах; выбор местообитания определяется видом ив и назначением клона. При этом в одном местообитании (в одном селекционном питомнике) высаживается клоносмесь из комплементарных клонов.
Подготовка маточно-черенковых особей к клонированию включает стандартные процедуры: посадку на пень и короткую обрезку годичных побегов в течение 1–2 лет для получения прута; для сохранения способности сеянцев к семенному размножению можно рекомендовать обрезку части стволиков. Для получения каждого клона используются черенки, нарезанные из однолетних (осенне-зимне-весенних) побегов одной маточно-черенковой особи. Черенки укореняются (в т.ч., и в контейнерах), высаживаются в школу черенковых саженцев, а затем в селекционные питомники. Вполне возможно преобразование школы черенковых саженцев в селекционный питомник. Селекционные питомники для клонового отбора могут одновременно использоваться и как защитные (противоэрозионные, водоохранно-защитные) насаждения, и как энергетические плантации.
Мы различаем индивидуальный внутриклоновый и индивидуально-клоновый отбор.
Индивидуальный внутриклоновый отбор – это многократный отбор, который включает следующие этапы: создание первичных клонов, первый отбор и создание клонов второго порядка, второй отбор и создание клонов третьего порядка, окончательный выбор лучших саженцев и использование их как маточно-черенковых особей для ускоренного размножения.
Для создания первичных клонов для получения черенков используются лучшие побеги лучших сеянцев F0, F1 и последующих поколений (не обязательно из лучших семей) – ведется позитивный отбор. На последующих этапах происходит негативный отбор: часть саженцев погибает по естественным причинам, часть – бракуется селекционером. При создании клонов второго и третьего порядка производится и позитивный отбор: для клонирования отбираются лучшие саженцы, а для черенкования отбираются лучшие побеги (позитивный соматический отбор).
Если раметы одного первичного клона были разделены на группы, то индивидуальный внутриклоновый отбор совмещается с индивидуально-клоновым за счет браковки отдельных групп. В этом случае предварительное (контрольное) испытание совмещается с конкурсным (стационарным). При индивидуально-клоновом отборе один и тот же клон может показать хорошие результаты в одних местообитаниях и может быть выбракован в других условиях. Тогда можно выделить адресные клоны с высокими показателями в строго определенных эдафо-фитоценотических условиях и клоны широкого назначения.
При традиционных конкурсных испытаниях из нескольких представленных клонов сохраняется тот, который систематически показывает наиболее высокие результаты; остальные клоны выбраковываются. Такой подход приводит к резкому снижению уровня генетического разнообразия данного вида организмов. Поэтому при селекции на разнообразие необходимо оставлять не один наилучший клон, а несколько клонов с различной генетической основой, которые показывают хорошие результаты в клоносмеси. В то же время, мы предлагаем различать клоны 1-го и 2-го класса. К 1-му классу относятся клоны, заметно превосходящие контрольные культивары или максимально приближенные к своей виртуальной модели. Ко 2-му классу относятся все остальные клоны данного направления.
Испытания на устойчивость и высокую продуктивность совмещаются с испытаниями на отличимость и стабильность: каждый клон должен обладать комплексом генетически обусловленных признаков, который позволит отличить его от других подобных клонов. В качестве таких признаков могут быть использованы: ритм развития побегов, морфологические особенности листьев (в т.ч., и прилистников), окраска покровов однолетних побегов (в т.ч., и зимних).
Селекция ив – двудомных древесных растений – это длительный и трудоемкий процесс. Полученные семьи и потенциально скрещивающиеся клоны следует считать ценнейшим отселектированным материалом, генетическим банком, который должен сохраняться в живом виде. Этот материал вновь может быть использован для получения новых семей и клонов.
Поэтому все перечисленные методы, типы, формы, стадии и этапы отбора должны быть связаны посредством повторяющегося отбора. При повторяющемся отборе в каждом поколении с лучших особей (в первую очередь, с проверенных по потомству) отбирается материал для клонирования и предварительного сортоиспытания. Параллельно в каждой семье продолжается ее семенное возобновление, интенсифицируется работа по созданию коллекций семей с использованием генетического потенциала организмов, обитающих в иных эдафо-фитоценотических условиях, а также генетического потенциала интродуцентов и гибридов.
Возможность семенного и вегетативного размножения ив,
а также многократной пересадки молодых растений позволяет создавать модельные диспергированные клонально-амфимиктические
популяции с высокой частотой ценных аллелей и генотипов и с высоким уровнем
генетического разнообразия. В состав такой популяции входят семьи высших
порядков и клоны на всех этапах клонового отбора и эксплуатации клоносмесей.
ключевые слова: ивы Salix, биоразнообразие biodiversity, биоэнергетика bioenergy, возобновляемые источники энергии, биотопливо, биомасса, энергетические плантации, противоэрозионные насаждения, рекультивация нарушенных земель, медоносы
Афонин Алексей Алексеевич
Доктор с.-х. наук, профессор Брянского государственного университета
Зав. лабораторией популяционной цитогенетики НИИ ФиПИ БГУ
E-mail: afonin.salix@gmail.com
ИВЫ: Теоретическая и прикладная саликология
ОБЩАЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
Эволюционная безопасность
http://afonin-59-bio.narod.ru/evosafety/evosafety.htm
http://darwin200.narod.ru/evosafety/evosafety.htm
последнее обновление страницы 24.12.2012