Перспективы использования спонтанных соматических мутаций в селекции декоративных форм сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L. )

перспективы использования спонтанных соматических мутаций в селекции декоративных форм сосны обыкновенной

УДК 635.054+630:581.154

Владимир Торчик,

завсектором декоративного садоводства Центрального ботанического сада НАН Беларуси, кандидат биологических наук

В природных популяциях у отдельных растений периодически, хотя и сравнительно редко, возникают качественные изменения генотипа, приводящие к перестройке морфологических или физиологических свойств организма или его частей [1]. Эти изменения могут быть как обратимыми, так и носить глубокий физиологический характер и влиять на интенсивность роста, морфологические характеристики листовой пластинки, окраску цветков и другие признаки. Последние в научной литературе квалифицируются как спонтанные соматические мутации [2, 3]. Их свойства могут наследоваться только при вегетативном размножении мутантных частей организма (почек, черенков, клубней и т.д.).

К числу разновидностей соматических мутаций, встречающихся в природных популяциях, относятся «ведьмины метлы» (ВМ), которые называются также почковыми вариациями, или спортами. Именно из них были получены многие низкорослые садовые формы растений, имеющие высокую популярность и в современном декоративном садоводстве: Picea abies 'Maxwellii' (1874), Picea abies 'Tabulaeformis'

(1890), Pinus sylvestris 'Beauvronensis'

(1891) [4].

«Ведьмины метлы» образуются у многих древесных видов [5-7]. Однако происхождение их может быть разным. Одни авторы установили, что они имеют паразитическую основу и вызываются различного рода грибами: у пихты и ели -ржавчинным Melampsorella cerastii (Mort.) Wint., у березы пушистой - голосумчатым Taphrina betulina Rost.; березы бородавчатой - T. túrgida Giesh.; клена -T. acerina Sad.; граба - T. carpini Rost.; ольхи - T. epiphylla Sacc. [8, 9]. В некоторых случаях образование «ведьминых метел» связывают с микроорганизмами, например с очень трудно обнаруживаемой микоплазмой [10-13]. Общими чертами таких новообразований являются их явно болезненный вид, полное или почти

полное угнетение репродуктивной функции (стерильность), недолговечность и очаговый характер распространения. На пораженном дереве, как правило, имеется не одна, а по крайней мере несколько (иногда десятки) «ведьминых метел». При этом такие деревья располагаются в насаждении группами, как при других эпи-фитотиях [14]. Аналогичную картину мы встречали с деревьями Betula verrucosa Ehm., на которых насчитывалось от 4 до 8 новообразований.

Однако в научной литературе все больше появляется исследований, свидетельствующих и о мутационном происхождении почковых вариаций («ведьмины метлы» такого происхождения используют в селекционных целях для получения де-

Рис. 1. Спонтанные соматические мутации на сосне обыкновенной шаровидной (а) и распростертой (б) формы

1 в мире науки 1

Таблица 1. Высота сеянцев, выращенных из семян ВМ сосны обыкновенной

Показатель Двухлетние сеянцы Трехлетние сеянцы

Средняя высота, М±т см 5,4±0,1 17,4±0,6

Показатель точности, Р % 2,6 1,1

Коэффициент вариации, V % 38,5 49,7

Таблица 2. Характеристика трехлетних сеянцев, не сохранивших и сохранивших признаки ВМ

Показатель

Вариант Параметры Среднее значение, Показатель Коэффициент

сеянцев М±т точности, Р, % вариации, V, %

Высота, см 19,7±0,7 1,4 44,6

Не сохранившие Прирост, см 12,4±0,5 1,0 51,6

Количество побегов, шт. 1 - -

Высота, см 11,5±0,5 1,1 37,2

Сохранившие Прирост, см 4,2±0,1 0,3 64,7

Количество побегов, шт. 6,3± 1,0 61,5

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

а)

4 3

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Высота растения, см

б)

35 30 25 20 15 10 5 0

9 12 15 18 21 24 27

Высота растения, см

33 36

Рис. 2. Распределение по высоте 2- (а) и 3-летних сеянцев из семян ВМ сосны обыкновенной

коративных форм). Так, кариологическое изучение Pinus sylvestris L. с ВМ, растущей на олиготрофном болоте в Томской области, показало, что в диплоидном наборе содержится 24 хромосомы (2n=24).

Отмечено наличие миксоплодности типа 24/36 и 24/48, а в кариотипе выявлено 9 пар хромосом со вторичными перетяжками. Деревья с «ведьминой метлой» отличались от типичных и по числу и осо-

12

40

6

30

39

42

бенностям локализации нуклеолярных локусов в хромосомах. Выявлены также нарушения митоза: остаточное ядрышко в метафазе, мосты, отстающие хромосомы, с-митоз. Установленные кариологические особенности и цитологические нарушения авторы связывают с воздействием на сосну экстремальных условий олиготроф-ных болот [15].

Цель настоящей работы - поиск «ведь-миных метел» мутационного происхождения и определение перспективности использования их семенного потомства в селекции низкорослых форм сосны обыкновенной.

Объектами исследований являлись спонтанные соматические мутации типа «ведьмина метла» и их семенное потомство (более 215 сеянцев). Поиск ВМ осуществляли путем маршрутного обследования насаждений сосны обыкновенной вдоль автомагистрали Минск - Бобруйск -Светлогорск, некоторых лесных массивов в Осиповичском и Узденском лесхозах и городских посадок Минска и Светлогорска. При обнаружении таких образований устанавливали примерный возраст, проводили описание структуры ветвления, а при наличии семяношения - сбор шишек. Семена после намачивания в снеговой воде в течение 24 часов высевали в теплице. Полученные всходы были распикированы в ячеистые кассеты по 36 штук. В течение трех лет проводили наблюдения за ростом и развитием надземной части сеянцев. Всего их было проанализировано 215 штук. Обработку экспериментального материала осуществляли с помощью стандартных программ Excel и Statistica 6,0.

В результате обследования было выявлено более 30 образований типа ВМ. Установлено, что чаще всего они встречаются на деревьях, произрастающих недалеко от автомагистралей и в промышленных районах крупных городов. Они отличаются аномальным морфогенезом и имеют распростертую, шаровидную или растопыренную форму; возраст ВМ составляет от 5 до 20 лет (рис. 1). Некоторые из них семяносят.

Обследование семяносящих ВМ сосны обыкновенной показало, что у некоторых из них имеются только недоразвитые женские шишечки, что говорит об отсут-

ствии мужского цветения. В то же время на отдельных формируются и созревают шишки с семенами. Осенью 2006 г. в парке Челюскинцев (Минск) нами была обнаружена плодоносящая «ведьмина метла» на сосне обыкновенной. Ее осмотр показал, что одновременно на побегах встречались как созревшие шишки, которые были значительно меньше, чем шишки из нормальной части кроны, так и «озимь», то есть шишечки, из которых формируется урожай будущего года.

Наблюдения за сеянцами показали, что в первые 2 года они отличались достаточно

медленным ростом по сравнению с полученными из нормальных семян: в наших опытах средняя высота сеянцев из ВМ была в 2 раза меньше, чем высота сеянцев сосны обыкновенной, выращенных в однотипных условиях [16]. Причем уже в двухлетнем возрасте наблюдается дифференциация сеянцев по характеру роста надземной части, о чем свидетельствует высокий коэффициент вариации (табл.1). Средняя высота трехлетних сеянцев увеличилась еще больше. При этом варьирование их по высоте также возросло на 11,2%. Условно сеянцы разделились на 2 класса: 1-й - сохраняющие форму роста

нормальной части кроны; 2-й - с замедленным ростом и интенсивным ветвлением.

Таким образом, установлено, что дифференциация сеянцев завершается в основном на третий год. Это подтверждается наличием у первой группы ярко выраженного центрального побега и преобладанием прироста последнего года - 12,4 см. У сеянцев с признаками ВМ средний прирост был почти в 3 раза меньше, а среднее количество побегов превышало 6 шт. (табл. 2).

В то же время следует отметить, что как в первой, так и во второй группах встречались растения с различной интенсивностью роста

Рис. 3. Сеянцы из семян ВМ с кустовидной формой роста

1 в мире науки 1

побегов. О начале дифференциации сеянцев ВМ по характеру роста на второй год свидетельствуют также данные рис. 2. Так, на второй год у 66% сеянцев высота была меньше средней и они имели несколько равнозначных побегов, примерно от 3 до 5 (рис. 2а). Однако на третий год один из побегов занимал лидирующее положение, в результате чего на конец третьего вегетационного сезона количество сеянцев с фено-типическими признаками ВМ уменьшилось и составляло около 45% (рис. 2б).

По результатам исследований выделено более 60 сеянцев, сохраняющих кусто-видную форму роста. В морфологическом строении надземной части ими унаследована способность к формированию нескольких вертикальных побегов, однако степень выраженности данной биологической особенности у них различна. Наиболее характерные фенотипы показаны на рис. 3.

Таким образом, сохранение семенным потомством признаков ВМ указывает на ее мутационное происхождение. Мутационное происхождение «ведьминой метлы» на Pinus densiflora подтверждено учеными [17]. Изучение семенного потомства позволило выявить несколько фенотипов, из которых 19 сохраняли признаки нормальных растений, l0 растений были с морфологическими признаками «ведьминой метлы», одно имело ненормально маленькие размеры.

Изучение генеративного потомства «ведьминых метел» Pinus banksiana, Pinus strobus, Pinus resinosa и Pinus clausa показало статистически значимые различия в высоте не только семенного потомства ВМ и нормальных деревьев, но и между потомствами различных ВМ [18]. Исследователи считают «ведьмины метлы» соматической мутацией, которая может быть причиной возникновения генетических вариаций у Abies, Cedrus, Larix, Picea, Pinus и Tsuga [4]. Отмечены успешное вегетативное размножение и генетическая изменчивость у семенного потомства «ведьминых метел». Изучение последнего на Pinus halepensis показало те же результаты [19].

В 1994 г. обнаружены «ведьмины метлы» на деревьях Pinus halepensis, Pinus nigra и Pinus pinaster, произраставших вдоль Адриатического побережья в Хорватии

[20]. Позже было изучено семенное потомство трех из них на Рю^ halepensis и отобрано 20 кандидатов в новые культивары. Были выделены растения с различной формой кроны: лежачей, пирамидальной, овальной, шаровидной и неправильно разветвленной.

Исследование «ведьминых метел» показало также, что они образуются из латентных почек, которые некоторое время (иногда несколько десятков лет) находились в состоянии покоя [21-22]. Причем в сосняках, прилегающих к автодорогам с интенсивным движением транспорта, они встречаются значитель-

Литература

но чаще, чем в фоновых насаждениях того же типа леса.

Проведенные исследования и анализ литературных источников позволяют заключить, что выявленные нами ВМ на сосне обыкновенной представляют спонтанные соматические мутации, вызванные сильным воздействием на растения антропогенных факторов, а возможно, являются последствиями аварии на Чернобыльской АЭС. Выявлено более 30 спонтанных соматических мутаций типа ВМ, а также получено более б0 сеянцев, унаследовавших карликовый рост материнских образований.

Дата поступления статьи: 04.07.2011 г.

1. Г.В. Гуляев. Генетика. 2-е изд. - М., 1977.

2. Н.П. Дубинин. Общая генетика. - М., 1970.

3. Н.А. Картель, Е.Д. Манцевич. Генетика в лесоводстве / ред. Н.В. Турбин. - Мн., 1970.

4. А. Fordham. Dwarf conifers from witches' brooms // Bulletin of Popular Information of the Arnold Arboretum. 1967. №27. P. 29-50.

5. Е.С. Петренко «Ведьмины метлы» в ленточных борах Казахстана // Бот. журнал. 1960. Т. 45. №10. С. 1540-1542.

6. В.В. Шульга. О карликовой форме сосны и «ведьминой метле» // Лесоведение. №3, 1979. С. 82-86.

7. S. Waxman. Witches'- Brooms sources of new and interesting dwarf forms of Picea, Pinus and Tsuga species // Acta. Hort. 1975. №54. P. 25-32.

8. С.И. Ванин. Лесная фитопатология. - М. - Л., 1955.

9. С.В. Шевченко. Лесная фитопатология. - Киев, 1986.

10. Bos L. Witches' broom and decline of Eucaliptus, a serious disease in Syria, likely caused by micoplasma / L. Bos, K.M. Makkouk, B. Bayaa // Arab J. Plant Protection. 1990. Vol. 8. №2. P. 133-135.

11. Kim Y.H. Studies on mycoplasma-like organism associated with witches' broom of Rhus jaavanica. II. Transmission by insect vector and dodder / Y.H. Kim [ et al. ] // Kor. J. Plant Pathol. 1990. Vol. 6. №1. P. 119-124.

12. Cha B. Symptom development of ash yellows and fluctuation of mycoplasma-like organism population in white ash (Fraxinus americana L.) / B. Cha, N.A. Tattar // Arboricultural Journal. 1991. Vol. 15. №4. P. 323-343.

13. Kaminska M. Association of Phutoplasma with Stunting, Leaf Necrosis and Witches' Broom Symptoms in Magnolia Plants / M. Kaminska, H. Sliva, A. Rudzinska-Langwald // J. Phytopathology. 2001. №149. P. 719-724.

14. Ямбуров М.С. «Ведьмины метлы» кедра сибирского как спонтанные соматические мутации: встречаемость, свойства и возможности использования в селекционных программах / М.С. Ямбуров, С.Н. Горошкевич // Хвойные бореальной зоны. 2007. Т. XXIV. №2-3. С. 317-324.

15. Т.С. Седельникова, Е.Н. Муратова. Кариологическое изучение Pinus sylvestris (Pinaceae) с «ведьминой метлой», растущей на болоте // Ботанический журнал. 2001. Т. 86. №12. С. 50-60.

16. Н.В. Шкутко. Ускоренное размножение деревьев и кустарников. - Мн., 1988.

17. Y. Momose. Segregation of witches'broom symptom of Pinus densiflora in windpollinated seedlings // Jpa. For. Soc. 1967. Vol. 49. P. 66-68.

18. Johnson G. Pine dwarf segregates from witches' brooms / G. Johnson, S. Pauley, W. Cromell // Proc. 6th Cent. St. For. Tree Impr. Conf. Car-bondale. 1968. H. III. P. 16-18.

19. V. Grasso. Dwarf conifers from witches' brooms of Pinus halepensis // Ital. For. Mont. 1969. Vol. 24. P. 241-245.

20. P. Vrgos. Witches'- Broom of alepo pine (Pinus halepensis Mill.) and its use for new ornamentals // Acta Hort. 2002. Vol. 572. P. 199-205.

21. М.С. Ямбуров. Структура мужских побегов и качество пыльцы «ведьминой метлы» сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) // Вестник Томского гос. унив. Сер. Биология. 2008. №3. С. 42-47.

22. М.С. Ямбуров. Влияние эмиссий выхлопных газов автотранспорта на образование «ведьминых метел» мутационного типа у сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) // Контроль и реабилитация окружающей среды: Материалы V межд. симпоз. (г. Томск, 6-8 июля 2006 г.). - Томск, 2006. С. 86-88.

Summary

The research revealed more than 30 spontaneous somatic mutations of pine (type «witches' broom»). Received more than 60 seedlings of preserving the bushy growth form characteristic of the parent entities. Based on original research and published data it is concluded that these mutations are caused by severe effects on plants of anthropogenic factors or the Chernobyl accident.