Селекционно-генетический анализ лесных популяций

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

СЕЛЕКЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЛЕСНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ

С.П. ПОГИБА, проф. каф. селекции, генетики и дендрологии МГУЛ, канд. с.-х. наук,

A. С. РАБЦУН, асп. каф. селекции, генетики и дендрологии МГУЛ,

B. В. КОРОВИН, проф. каф. селекции, генетики и дендрологии МГУЛ, д-р биол. наук

Генетический анализ лесных популяций и дальнейшая их селекционная оценка весьма проблематичны, так как выход на генпризнак у древесных растений затруднен, а использование гибридологического анализа требует значительного времени для смены поколений. Учение о генетических процессах в популяции особенно важно для лесоводов, т.к. включает вопросы динамики, численности вида, систематики и таксономии, генетический анализ. Все популяционные модели базируются на законе Харди-Вайнберга, представляющем собой схему-формулу бесконечно большой идеальной популяции, где нет давления отбора, мутаций, миграций, дрейфа генов и где осуществляется панмиксия. Частоты генотипов в такой популяции сохраняются постоянными. В природе таких популяций не существует, сложность генетических и экологических явлений делает невозможным анализ всей системы факторов. По мнению некоторых ученых[9], это приводит к упрощению популяционных моделей. Кроме того, большинство признаков, с которыми работают лесные селекционеры, относятся к количественным (высоты, диаметр, приросты и др.). Эти признаки чаще полигенны и контролируются аддитивными или суммарными генами. Н.В.Тимофеев-Ресовский [11] предложил использовать в таком случае термин «фен». В 1976 г. решением Первого всесоюзного совещания по фенетике популяций термин «фен» и «фенетика» были закреплены официально.

Фенетика - это распространение генетических подходов и принципов на формы, собственно генетическое изучение которых затруднено или невозможно. Предметом фене-тики является внутривидовая изменчивость, доводимая в конечном итоге до рассмотрения дискретных альтернативных признаков - фенов [12]. Фен представляет собой дискретный, альтернативный простой признак, отражаю-

s.pogiba@mail.ru, zhu4ok69@rambler.ru

щий особенности данного генотипа. Элементарность признака не обязательно сопровождается моногенностью и может быть результатом взаимодействия нескольких генов. Кроме этого, неделимый фен может представлять собой коррелятивно сцепленную группу признаков. Именно этот постулат был использован нами при проведении фенетического анализа узорчатых форм карельской березы [7].

В 1982 г. Л.А. Животовский предложил математическую модель расчета морф (фенов). При этом для анализа популяционной изменчивости по полиморфным признакам постулируются следующие требования.

1. Небольшие изменения частот распространенных морф, а также появление или исчезновение редких морф мало изменяет значение показателя.

2. Показатель не зависит от параметров, дифференциально характеризующих разные морфы

3. Вклад морф в величину показателя должен быть пропорционален их частотам в популяциях.

4. Показатель должен иметь «простую» популяционную интерпретацию и обладать «хорошими» статистическими свойствами.

Идеальной моделью для фенетичес-кого анализа по методу Л.А. Животовского являются узорчатые формы карельской березы, представляющие собой, по мнению А.Я. Любавской [6], самостоятельный вид, имеющий разорванный ареал. Часть этого ареала можно считать группами родственных популяций, состоящих из безузорчатых и узорчатых форм. В основе выделения форм лежит классификация А.Я. Любавской [6] по габитусу и форме ствола, являющихся четкими маркерами для выделения фенов и морф в популяциях. Нами обследовано семь попу-

4

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

ляций карельской березы, отличающихся соотношением форм: в Телеханском заказнике Белоруссии, Заонежском и Спасогубском заказниках Карелии, Елгавском и Даугавпилс-ском леспромхозе Латвии [7], «Ковровском» совхозе Владимирской области и Спас-Де-менском лесхозе Калужской области[4]. В анализ были включены узорчатые особи I, II, III и IV форм.

Проведенный популяционно-генетический анализ подтвердил отличие насаждений друг от друга по среднему числу фенотипов. Наибольшее формовое разнообразие выявлено в Телеханском заказнике Белоруссии, среднее число фенотипов 3,66 ± 0,056, представлены все формы. Преобладают особи II формы (р2 = 0,42). Доля редких фенотипов (кустарниковых форм) незначительна - 0,085 ± 0,14. Наименьшее число фенотипов имеют латвийские популяции: Елгавская - 1,39 ± 0,017 и Даугавпилсская - 1,98 ± 0,002, но преобладают особи кустовидных форм - р3 = 0,96 и 0,60 соответственно. Редким фенотипом в обеих популяциях являются особи I высокоствольной формы. В Заонежском заказнике преобладают особи III форм (р3 = 0,50), редкий фенотип - IV форма (0,175 ± 0,030); в Спасогубском заказнике преобладают особи I формы р = 0,70), редкий фенотип - II форма (0,16 ± 0,035); в совхозе «Ковровский» преобладают деревья II формы (р2 = 0,53), редкий фенотип - III форма (0,21 ± 0,027) и в Спас-Деменском лесхозе преобладают особи I формы (рх = 0,60), редкий фенотип - IV форма (0,30 ± 0,026). Отличие популяций карельской березы по соотношению форм достоверно на 95 и 99 % уровнях значимости (xf > х^2). Выделенные популяции имеют важное значение как с эволюционно-генетической точки зрения, так и с точки зрения потребителей, так как являются носителями определенного генофонда и могут служить источником для селекционной работы на декоративность древесины. В дальнейшем с помощью фене-тического анализа были оценены культуры карельской березы в Белоруссии (Барсукова, 1995) и в Московской области [5].

Большинство работ по лесной селекции проведены на уровне фенов, то есть

изучено формовое разнообразие вида по количественным и качественным признакам (Яблоков, 1952; Ромедер, Шенбах, 1962; Коновалов, Пугач, 1978; Молотков, Патлай и др. 1982. Эти работы носили описательный характер (цвет коры, стробилов, листьев, характер ветвления и пр.), однако они подготовили почву для выделения фенов и подбора генетических моделей лесных популяций [7]. Так,

А.И. Видякиным [2] были отобраны маркеры популяционной структуры сосны с высокой генотипической детерминированностью, установлены масштабы их, выделены наиболее информативные из них. В процессе изучения индивидуальной изменчивости морфологических признаков шишек, семян, микростробилов разработана методика выделения фенов и выявлено несколько элементарных вариаций, отвечающих этому понятию. Она включает 4 этапа: первый - создание коллекций генеративных органов; второй - проверка имеющихся классификаций признаков и оценка выделяемых по ним вариаций на соответствие понятию фена; третий - выявление элементарных признаков, описание и выделение дискретных вариаций; четвертый - косвенная оценка генотипической детерминированности отобранных дискретных вариаций. Маркерами популяционного уровня структурной организации вида являются фены окраски семян первого слоя; третьего - наличие или отсутствие его; фены окраски шишек: серозеленая, коричневая, песочная; фены окраски микростробилов- желтая и красная; фены типа развития апофиза - передний (ПТРА) и задний (ЗТРА). Наиболее информативны из них фены третьего слоя окраски семян. А.Ф Беликова и О.А. Карацупа (1997) предлагают в качестве эффективного фена для сосны обыкновенной использовать текстуру оболочки семян сосны. Известно, что оболочка семян хвойных формируется из диплоидной ткани материнского растения, зародыш - из диплоидной ткани, включающей гомологичные хромосомы отца и матери, а эндосперм из гаплоидной ткани материнского растения. Таким образом, выделенный фен переходит из разряда описательных в разряд генетически идентифицированных фенов. Метод фене-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013

5

ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Таблица

Характеристика ЛСП на основании проведенного анализа

№ ЛСП Число по-садоч-ных мест Количество деревьев на ЛСП Расположены согласно схеме посадки На других посадочных местах Происхождение неизвестно Всего идентифицировано Представлено рамет клонов

Шт./ %

33 1070 566/52,8* 141/36,9 110/28,7 251/65,6 131/34,4 22

41 200 68/34 34/50 33/48,5 1/1,15 67/98,5 12

47 1235 1155/93,5 1089/94,2 41/3,5 25/2,1 1130/97,8 125

48 1180 873/73,9 744/85,2 86/9,8 43/5 830/95 85

1 1615 907/56,1 575/63,4 148/16,4 96/10,5 723/79,7** 62

*Из 566 деревьев на ЛСП 184 являются непривитыми.

**88 деревьев оказались раметами неидентифицированного клона.

тического анализа широко используется при работах на лесосеменных плантациях, когда необходимо уточнить происхождение рамет. По вышеперечисленным признакам их сравнивают с исходными плюсовыми деревьями, сверяют со схемой посадки и делают соответствующие выводы. Эта работа весьма трудоемка и не исключает ошибок.

В последнее время в практику входит молекулярно-генетический метод, позволяющий наиболее быстро и эффективно решить ряд вопросов, важных с точки зрения селекционно-генетической ценности объектов. Наиболее удобным для этого является один из методов анализа ДНК, именуемый RAPD - анализом

Анализ непосредственно ДНК позволяет гораздо быстрее и с высокой степенью достоверности провести генетическую идентификацию. В качестве образца может использоваться любая часть растения в свежем, замороженном, заспиртованном или сухом виде. Высушенные образцы легко транспортировать и хранить. Анализ одного образца проводится в течение 2-х дней, один комплект оборудования позволяет одновременно проводить анализ 48 образцов. RAPD-анализ включает выделение ДНК, амплификацию выделенной ДНК, электрофоретическое разделение фрагментов амплифицированной ДНК и анализ полученных электрофореграмм.

При определении генетической принадлежности рамет клонов генетическая карта (паспорт) каждого дерева с ЛСП или архива клонов сравнивается с генетическими паспортам плюсовых деревьев, в результате чего уточняется схема расположения рамет клонов на плантации. Сумма генетических паспортов, представленных на плантации клонов, будет являться генетическим паспортом объекта. На базе ФГУ «Рослесозащита» нами методом RAPD-анализа исследовано пять плантаций, на которых произрастают клоны сосны обыкновенной на территории Куровс-кого ОЛХ Московской области и Андреевского ОЛХ Владимирской области.

Анализ ДНК позволяет полностью прояснить схему расположения рамет клонов на ЛСП, выявить все ошибки при посадке и разработать комплекс мероприятий по дальнейшему использованию или реконструкции изучаемых объектов. Так, например, ЛСП № 33 и ЛСП № 41 Куровского ОЛХ Московской области нуждаются в полной реконструкции или переведении в категорию ПЛСУ, а ЛСП № 47, 48 - в частичной. Здесь необходимо удалить неидентифицированные раметы, количество которых менее 5 %, и произвести подсадку на пустых местах. ЛСП № 1 Владимирской области нуждается в значительной реконструкции.

К настоящему времени с помощью RAPD-анализа проводится молекулярно-генетический анализ и оценка состояния генофондов популяций древесных растений. Т.Н. Светлакова (2012) провела молекулярно-гене-

6

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2013