Текст книги "Селекция растений"

7.2 Анализ плюсовых деревьев по потомству

Понятие о комбинационной способности. Прежде чем создавать лесосеменные плантации общего и целевого назначения необходимо проверить плюсовые деревья, отобранные по фенотипу, по потомству. При этом проверяют их общую (ОКС) и специфическую (СКС) комбинационную способность.

ОКС – это способность дерева давать при скрещивании с другими деревьями определенный средний уровень развития признака. ОКС будет выше у того дерева, у которого среднее значение признака потомства выше, чем у других. ОКС контролирует количественные признаки: высоту, диаметр, величину прироста и другие, которые контролируются суммарными генами.

СКС – это комбинационная способность конкретной пары деревьев давать определенную величину признака в потомстве. Определяется обычно после предварительной оценки на ОКС. На основе ОКС и СКС рассчитывается средняя ценность пары родителей по потомству.

Оценка плюсовых деревьев на ОКС и СКС проводится методами поликросса, топ-кросса и диаллельного скрещивания. Рассмотрим эти методы на примере селекции на быстроту роста в молодом возрасте – краткосрочное испытание.

Из семян, полученных при свободном опылении (поликросс) или контролируемом опылении (топкросс и диаллельное скрещивание), выращивают растения по семьям в количество 300–400 шт. от каждого отдельного плюсового дерева. Измеряют высоту сеянцев или саженцев, находят среднее значение признака (х) потомства каждого плюсового дерева. На основе этих данных рассчитывают значения ОКС и СКС. Одновременно измеряют и рассчитывают среднее значение величины контрольных культур, выращенных из семян общего сбора данной популяции. Если среднее значение признака плюсового дерева в F₁ меньше, чем среднее значение признака в F₁ популяции, то это плюсовое дерево выбраковывается и не участвует в дальнейшей селекционной работе. Если же среднее значение признака плюсовых деревьев оказалось выше признака в популяции, то такие плюсовые деревья включаются в генетический анализ. Число плюсовых деревьев должно быть достаточно представительно, т. е. для семенной плантации отбирают 20–25 деревьев.

При создании лесосеменных плантаций целевого назначения (декоративность древесины, длина волокон, газоустойчивость) число деревьев на плантации может быть уменьшено до пяти-девяти.

Метод поликросса (свободное опыление). Смесь пыльцы приравнивается к свободному опылению. Смесью пыльцы с нескольких деревьев опыляют испытуемые деревья. По среднему значению высоты потомства в 2-3-летнем возрасте дают оценку материнских деревьев на ОКС на быстроту роста.

При поликроссе ОКС равно среднему значению высоты саженцев.

Для того чтобы определить относительную оценку ОКС на быстроту роста, необходимо определить среднее значение ОКС пяти деревьев и сравнивать ОКС каждого дерева со средним значением ОКС. Испытательные культуры, заложенные из семян от свободного опыления плюсовых деревьев, можно оценивать на ОКС методом поликросса, что чаще всего и делается на практике. Как уже отмечено выше, свободное опыление приравнивается к смеси пыльцы.

Метод топ-кросса (контролируемое опыление) – метод скрещивания, применяемый для определения ОКС и СКС плюсовых деревьев. Он состоит в том, что материнские (♀) деревья скрещивают с одним, специально подобранным отцовским (♂) плюсовым деревом, называемым тестером или анализатором.

Тестеров может быть один или несколько из числа наиболее перспективных плюсовых деревьев. При топ-кроссе пыльцой одного дерева – тестера опыляют испытуемые деревья. По среднему значению признака в F₁ рассчитывают ОКС дерева – тестера (♂) и СКС этого дерева и каждого испытуемого.

Сравнивая среднее значение СКС родительских пар с СКС каждой пары, вычисляют относительную оценку СКС (Δ СКС).

Метод диаллельных скрещиваний. Диаллельное скрещивание – это попарное скрещивание родителей с целью выявления их ОКС и СКС. Это наиболее трудоемкий анализ, но самый информированный по генетической оценке плюсовых деревьев.

Большинство лесных пород являются однодомными разнополыми перекрестноопыляющимися растениями, поэтому каждое дерево является одновременно отцовским и материнским растением.

Относительную ценность плюсовых деревьев определяют, сравнивая ОКС каждого дерева со средним значением ОКС всех деревьев (ОКСобщ).

Специфическая комбинационная способность (СКС) родительских пар при диаллельном анализе равна среднему значению признака при прямом и обратном скрещивании.

Рассчитанные величины ОКС и СКС используются для расчета ценности родительских пар

Вопросы для самоподготовки

1. Что такое гибридизация и её виды?

2. Этапы гибридизации.

3. Типы скрещиваний.

4. Принципы подбора родительских пар для скрещивания.

5. Способы получения гибридных семян древесных растений.

6. Скрещивание на срезанных ветвях.

7. Понятие о комбинационной способности (ОКС и СКС).

8. Методы оценки плюсовых деревьев на ОКС и СКС.

9. Сущность метода поликросса.

10. Сущность метода топ-кросса.

11. Охарактеризуйте метод диаллельных скрещиваний.

12. По каким показателям плюсовые деревья рекомендуются на семенные плантации ΙΙΙ порядка?

8 ПОЛИПЛОИДИЯ И МУТАГЕНЕЗ В СЕЛЕКЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД

8.1 Полиплоидия

Полиплоидия – это увеличение числа хромосом. Изучение некоторых разновидностей и сортов культивируемых древесных растений показало, что по своей генетической природе они являются аллополиплоидами древних гибридных видов. Между количеством хромосом и свойствами полиплоидных форм не всегда наблюдается прямая связь. Часто диплоидные особи оказываются значительно лучше полиплоидов, полученных от них. Например, тетраплоидные формы березы, тополей, вязов, ольхи и белой акации растут медленнее диплоидных, а триплоидные особи оказались более быстрорастущими. Например, триплоидная осина характеризуется необычайно крупными листьями и исключительно быстрым ростом. Разработаны методы массового искусственного получения триплоидной осины.

В селекционной работе с древесными растениями полиплоидия приобретает большое значение как метод восстановления фертильности и преодоления явления несовместимости при отдаленной межвидовой гибридизации.

Методы искусственного получения полиплоидов. Существующие методы искусственного получения аллополиплоидов можно разделить на две группы: опыление нередуцированными гаметами и индуцирование мутагенами. При нормально протекающем мейозе хромосомное число в клетках уменьшается с 2n до n. Иногда редукционного деления не происходит, и образуются яйцеклетки или пыльцевые зерна с 2n хромосомами. Если пыльцевое зерно с 2n хромосомами оплодотворит яйцеклетку с гаплоидным набором хромосом, образуется триплоидный эмбрион. Таким путем получают тетраплоидную осину, опыляя крупными триплоидными пыльцевыми зернами женские цветки диплоидных растений. Крупную триплоидную пыльцу отделяют от диплоидной, просеивая пыльцу через тонкую ткань.

Индуцирование полиплоидии в свою очередь проводится тремя способами. 1. Воздействие нагреванием, высушиванием или холодом. 2. Индуцирование колхицином. Он не препятствует делению хромосом, а подавляет только механизм образования веретена деления, при помощи которого разделившиеся хромосомы мигрируют к полюсам. Поэтому при воздействии колхицином хромосомы делятся, но не расходятся к полюсам, и диплоидная клетка превращается в тетраплоидную. Колхицин применяют в виде слабого (0,1-0,5 %-го) водного раствора в течение нескольких часов или дней. Обработка колхицином часто заканчивается образованием миксоплоидов, или химер, имеющих и диплоидные, и тетраплоидные ткани. Миксоплоиды могут быть разных типов: одна ветвь тетраплоидная, другая – диплоидная, или верхушка листа диплоидная, а основание тетраплоидное. Если верхушка листа тетраплоидная, а основание диплоидное, то оно растет быстрее и лист заворачивается вверх, если наоборот, то лист заворачивается вниз. 3. Получение триплоидов из семян. Триплоидные растения древесных видов характеризуются быстрым ростом. Поэтому получение тетраплоидов для последующего перевода их в триплоиды скрещиванием с диплоидами становится распространенным направлением селекции на гетерозис. Триплоидные деревья осины получают в результате скрещивания женских клонов тетраплоидных растений с одним из диплоидных мужских клонов. Эту работу, как правило, проводят в теплицах. Дополнительно к этому практикуют посадку одного тетраплоидного клона в центре естественных насаждений мужских диплоидных особей. На деревьях женского клона семена будут триплоидными.

Селекция гаплоидов. Гаплоидные особи образуются в результате самопроизвольного деления неоплодотворенной яйцеклетки. Такие формы обнаружены как у голосеменных, так и у покрытосеменных.

В лесной селекции этот способ может найти применение в связи с внедрением микроклонального размножения генеративных органов и естественных гаплоидов.

Одним из путей селекции методом полиплоидии является отбор естественных полиплоидов, представляющих непосредственный интерес или для производства или для вовлечения в последующий селекционный процесс. Отличительными признаками полиплоидов является число хромосом и заметные визуальные отклонения от нормы.

Отобраны естественные полиплоиды, отличающиеся быстрым ростом (например триплоидная осина, аллотриплоид (тополь белый × осина), аллотриплоид (береза пушистая × береза повислая), тетраплоид липы Максимовича. Они превосходят диплоидные растения по интенсивности роста на 30-36 %. У тетра– и гексаплоидов кленаявора и клена сахарного быстрота роста сочетается с легкой, хорошего качества древесиной, у октоплоида березы бумажной ценная древесина, тетраплоид ольхи серой и октоплоид ольхи японской растут как кустарники и используются в озеленении.

Способом колхицирования получены автополиплоиды у сосны обыкновенной, Веймутова, лиственницы европейской, ели европейской, секвойи гигантской, липы, ольхи черной, березы повислой, дуба черешчатого.

В лесной селекции бóльший эффект достигается при сочетании полиплоидии с гибридизацией. Это возможно двумя путями:

– получение автотетраплоидов колхицинированием, выращивание их до цветения, скрещивание с диплоидами и отбор в потомстве триплоидных растений. Так получены автотриплоиды осины, ольхи черной, березы повислой, дуба черешчатого, секвойи гигантской;

– получение аллополиплоидов колхицинированием межвидовых диплоидных гибридов. Так получены аллополиплоиды ив (прутовидная×козья = 4n, вавилонская×Гумбольда = 3n), рябины (обыкновенная×промежуточная = 4n), лиственницы (европейская×сибирская = 3n), тополя (канадский×белый+осина+бальзамический = 3n), ясеня (американский×пенсильванский = 4n), каштана конского мясокрасного (обыкновенный ×красный) ×красный = 3n).

8.2 Мутагенез в лесной селекции

Искусственная изменчивость при воздействии мутагенными факторами, или, мутагенами, называется индуцированным мутагенезом. Этапы мутационной селекции:

– цель работы;

– выбор мутагенных факторов;

– изучение наследственной изменчивости подопытных видов и форм по влияниям мутагенов;

– определение направления мутационной селекции;

– производственное испытание, отбор и выбраковка мутантов.

Мутагенные факторы делят на физические и химические.

Физические мутагены: радиация, температурные шоки, ультрафиолетовые лучи. В мутационной селекции наиболее широко применяются ионизирующие излучения, которые по своей природе подразделяются на волновые и корпускулярные. К волновым излучениям относятся ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. К корпускулярным излучениям относятся α-β-γ-частицы, протоны, нейтроны, дейтроны и др. Ионизирующие излучения при проникновении в клетку действуют непосредственно на наследственные структуры.

Химические мутагены:

– ингибиторы азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. Их действие заключается в подавлении синтеза гуанина и тимина. К ним относятся кофеин, теобромин, этилуретан и др.;

– аналоги азотистых оснований, также входящие в нуклеиновые кислоты. Они включаются в ДНК на место тимина. Это кофеин, 5-бромурацил и др.;

– алкилирующие соединения, вызывающие нарушение точности авторепродукции молекул ДНК под воздействием этих соединений. К ним относятся: иприт, этилметансульфонат, нитрозоэтилмочевина и др.;

– окислители, восстановители и свободные радикалы, вызывающие замену в молекуле ДНК пар оснований А-Т на Г-Ц. Эта группа мутагенов объединяет азотную кислоту, перекиси, альдегиды, соли тяжелых металлов;

– акридиновые красители, образующие в результате реакции с ДНК комплекс, препятствующий нормальной редупликации.

Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации, физические – генные и хромосомные. Характер мутаций изучают на основе оценки чувствительности растения к мутагену.

Различают стимулирующие, критические, летальные и оптимальные дозы мутагенов.

Критическими называют дозы, при которых всхожесть семян составляет около 50 % контроля, а выживаемость 20-30 % числа всходов.

Летальными называют дозы, вызывающие гибель обрабатываемого материала.

Оптимальными называют дозы, при которых на единицу выживаемости растения получается наибольшее количество мутаций.

Чувствительность растений к мутагенам можно оценивать по энергии прорастания семян, всхожести, выживаемости растений, степени плодовитости и стерильности, энергии роста, числу и типу хромосомных перестроек в первом митозе в клетках проростков.

По чувствительности к мутагенам древесные растения делят на три группы:

– чувствительные – кедр сибирский, лиственница, сосна обыкновенная, ели, дуб черешчатый, березы, ольха, смородина черная, шелковица (диплоидная), яблони (грушовка, белый налив) и др.;

– среднечувствительные – рябина обыкновенная, шиповник, акация желтая, сирень, жасмин, боярышник, жимолость обыкновенная, орех черный, каштан конский, шелковица (тетраплоидная), облепиха (европейского происхождения), яблони (антоновка, пепин шафранный и др.);

– устойчивые – липа, тополь черный, гледичия, спирея, ракитник, облепиха (алтайская).

Мутационная селекция у древесных пород шла по пути воспроизведения природных мутаций.

Например. У сосны, лиственницы, березы, тополя, липы, клена, сирени, яблони, дуба индуцированы мутации, касающиеся морфологии и расположения листьев на побегах, формы кроны и ветвления, морфологии цветков, сроков прохождения фенофаз, темпов роста и урожайности. Получены быстрорастущие мутанты у березы повислой, клена ясенелистного, липы мелколистной, лиственницы сибирской, тополя черного, дуба черешчатого, тополя волосистоплодного. У сосны обыкновенной получены быстрорастущие мутанты, устойчивые против шютте обыкновенного.

Вопросы для самоподготовки

1. Что такое полиплоидия? Каковы методы получения полиплоидов?

2. Назовите способы индуцирования полиплоидии.

3. Селекция гаплоидов.

4. Результаты селекции методом полиплоидии.

5. Что такое мутагенез?

6. Назовите этапы мутационной селекции.

7. Что такое мутагены? Представьте их классификацию.

8. Назовите физические мутагены.

9. Какие соединения относят к химическим мутагенам?

10. Что значит стимулирующие, критические, летальные и оптимальные дозы мутагенов?

11. Назовите древесные растения чувствительные к мутагенам.

12. Назовите древесные растения среднечувствительные к мутагенам.

13. Назовите древесные растения устойчивые к мутагенам.

14. Назовите древесные породы, полученные методом мутагенеза.

9 ОРГАНИЗАЦИЯ ЕДИНОГО ГЕНЕТИКО-СЕЛЕКЦИОННОГО КОМПЛЕКСА (ЕГСК)

9.1 Понятие о едином генетико-селекционном комплексе и его структура

В России разработана государственная политика в области селекционного семеноводства: сформулированы задачи, разработана программа, изданы регламентирующие документы, разработаны производственные задания предприятиям, создана сеть спецсемлесхозов и лесных производственных селекционных станций, проведена селекционная оценка на значительной площади насаждений основных лесообразующих видов древесных растений, созданы многочисленные объекты постоянной лесосеменной базы во многих регионах страны.

Лесное семеноводство включает в себя комплекс мероприятий по созданию и использованию постоянной лесосеменной базы на генетико-селекционной основе. Постоянную лесосеменную базу создают на основе программ лесовосстановления (лесоразведения), а также программ развития лесного семеноводства.

Решающую роль в улучшении породного состава и качества лесов, повышении их продуктивности играет обеспечение лесокультурных работ семенами деревьев и кустарников с лучшими наследственными свойствами и высокими посевными качествами. В соответствии с этим подходить к этому необходимо через создание объектов единого генетико-селекционного комплекса для производства семян с улучшенными наследственными свойствами.

Структура ЕГСК представлена в таблице 9.

Единый генетико-селекционныи комплекс – это объекты постоянной лесосеменной базы, лесные генетико-селекционные объекты (плюсовые и элитные деревья, маточные плантации, архивы клонов, испытательные культуры плюсовых деревьев, географические и популяционно-экологические культуры и др.) и генетические резерваты, подлежащие особому учету и охране.

Постоянную лесосеменную базу (ПЛСБ) создают на основе федеральных и региональных программ лесовосстановления (лесоразведения), а также программ развития лесного семеноводства. Работы по созданию ПЛСБ проводят, в основном, специализированные по лесному семеноводству подразделения (спецсемлесхозы, селекционно-семеноводческие центры, лесные семеноводческие производственные станции и др.), а также лесничества, имеющие кадры необходимой квалификации и соответствующую материальнотехническую базу при обязательном методическом обеспечении со стороны научно-исследовательских учреждений.

Таблица 9 – Стуктура единого генетико-селекционного комплекса (ЕГСК)

Контроль за созданием и эксплуатации объектов ПЛСБ, использовании получаемых семян проводят федеральный орган управления лесным хозяйством, органы управления лесным хозяйством в субъектах Российской Федерации и их специально уполномоченные подразделения.

Постоянную лесосеменную базу (ПЛСБ) составляют аттестованные в соответствии с «Указаниями по лесному семеноводству» лесные селекционно-семеноводческие объекты:

– лесосеменные плантации (ЛСП) – специально создаваемые насаждения, предназначенные для массового получения в течение длительного времени ценных по наследственным свойствам семян лесных растений;

– постоянные лесосеменные участки (ПЛСУ) – высокопродуктивные и высококачественные для данных лесорастительных условий участки насаждений или лесных культур известного происхождения, специально созданные (сформированные) для получения с них семян в течение длительного срока;

– плюсовые насаждения (МСЗ) – самые высокопродуктивные, высококачественные и устойчивые для данных лесорастительных условий насаждения. Маточные семенные заказники (МСЗ) используются для сбора улучшенных семян и заготовки черенков для семенных плантаций.

9.2 Организация ПЛСБ

При организации ПЛСБ выделяют и создают следующие селекционно-семеноводческие объекты:

– плюсовые деревья – деревья, значительно превосходящие по одному или комплексу хозяйственно-ценных признаков и свойств окружающие деревья одного с ними возраста и фенологической формы, растущие в тех же условиях;

– архивы клонов плюсовых деревьев – насаждения, создаваемые с использованием вегетативного потомства плюсовых деревьев в целях сохранения их генофонда и изучения наследственных свойств;

– маточные плантации – насаждения, создаваемые с использованием вегетативного потомства плюсовых деревьев в целях их массового вегетативного размножения;

– испытательные культуры – лесные культуры, создаваемые по специальным методикам семенным потомством плюсовых деревьев, плюсовых насаждений, ЛСП первого порядка и ПЛСУ с целью их генетической оценки;

– географические культуры – опытные культуры, создаваемые семенным потомством наиболее характерных популяций нескольких экотипов (климатипов) с целью их испытания в новых условиях;

– популяционно-экологические культуры – опытные культуры, создаваемые потомствами нескольких эдафотипов лучших для конкретного региона климатипов в двух-трех наиболее распространенных типах лесорастительных условий с целью их испытания в данном регионе и выделения сортов-популяций.

Лесной генетический резерват (ЛГР) – участок леса, типичный по своим фитоценотическим, лесоводственным и лесорастительным показателям для данного природно-климатического региона, выделяемый в целях сохранения генофонда конкретного вида.

Не являясь селекционно-семеноводческими объектами, ЛГР могут быть использованы для выделения плюсовых деревьев и насаждений.

Выделение и оформление ЛГР, а также ведение хозяйства в них осуществляют на основе действующих нормативно-методических документов