Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Рост потомства плюсовых деревьев сосны обыкновенной 9
1.2.Устойчивость древесных растений 14
1.3 Цветение и урожай на лесосеменных плантациях 19
1 4 Применение изоферментного анализа в генетике и селекции древесных растений 25
1.5. Селекционная оценка потомств плюсовых деревьев 31
2. Природно-климатические условия района, объекты, методы и объем исследований 41
2.1. Природно-климатические условия района исследований 41
2.2. Объекты работы 43
2.3. Методы и объемы исследований 45
3. Рост и устойчивость вегетативных и семенных потомств плюсовых деревьев 50
3.1. Рост вегетативных и семенных потомств плюсовых деревьев 50
3.1.1. Рост вегетативных потомств плюсовых деревьев на ЛСП первого порядка 51
3.1.2. Рост семенного потомства плюсовых деревьев в испытательных культурах 59
3.2. Водоудерживающая способность хвои вегетативного и семенного потомств 65
3.3. Оценка по росту и устойчивости против обезвоживания хвои вегетативных и семенных потомств плюсовых деревьев 71
3.3.1. Оценка клонов по росту и устойчивости 72
3.3.2. Оценка семей по росту и устойчивости 81
Выводы 90
4. Цветение и урожай семян на клоновой лсп первого порядка 94
4.1. Анализ цветения клонов плюсовых деревьев 94
4.2. Семенная продуктивность клонов 103
4.3. Оценка клонов по репродуктивной способности 114
Выводы 122
5. Генетическая структура клоновои лсп первого порядка 125
5.1. Генетический анализ клоновой ЛСП сосны обыкновенной по изоферментным локусам 126
5.2. Индивидуальная генетическая изменчивость плюсовых деревьев сосны обыкновенной 130
Выводы 134
6. Отбор плюсовых деревьев для закладки лсп повышенной генетической ценности 136
6.1. Отбор по результатам испытания семенного потомства 136
6.2. Отбор по клоновому потомству 139
Выводы 144
Выводы и рекомендации 146
Литература 151
Приложения 175
- Применение изоферментного анализа в генетике и селекции древесных растений
- Селекционная оценка потомств плюсовых деревьев
- Водоудерживающая способность хвои вегетативного и семенного потомств
- Индивидуальная генетическая изменчивость плюсовых деревьев сосны обыкновенной
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из путей повышения продуктивности лесов является создание и эффективное использование постоянной семенной базы на селекционно- генетической основе (Лесной кодекс, 1997). К настоящему времени проделана большая практическая работа по созданию постоянной лесосеменной базы основных лесообразующих пород (Ефимов, 1997). Вместе с тем селекционный эффект от использования семян с этих объектов остается пока практически неизвестным. В связи с этим проведение исследований по определению селекционной ценности отобранных по внешним признакам плюсовых деревьев и разработка рекомендаций по повышению селекционной ценности семян представляются необходимыми и своевременными.
Актуальность изучения генетической структуры лесосеменной плантации (ЛСП) первого порядка обуславливается проблемой сохранения генетического разнообразия природных популяций при искусственном создании лесов.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в проведении селекционного обследования ЛСП сосны первого порядка и испытательных культур, изучении генетической структуры ЛСП первого порядка, разработке предложений по отбору плюсовых деревьев для создания ЛСП повышенной генетической ценности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучить рост и устойчивость против обезвоживания хвои вегетативного и семенного потомства плюсовых деревьев;
изучить возможность применения кластерного анализа при селекционной оценке вегетативного и семенного потомства плюсовых деревьев;
изучить репродуктивную способность клонов плюсовых деревьев на ЛСП;
изучить генетическую структуру ЛСП первого порядка;
5 5) обосновать критерии оценки клонов и семей по показателям роста, устойчивости против обезвоживания хвои и семеношения при отборе плюсовых деревьев сосны для закладки ЛСП повышенной генетической ценности.
Научная новизна работы. Обоснована возможность определения селекционной ценности плюсовых деревьев сосны обыкновенной по результатам комплексной оценки их вегетативного и семенного потомств с использованием кластерного анализа. Изучена связь между ростом и семеношением клонов сосны на лесосеменнои плантации первого порядка. В районе исследований впервые изучена генетическая структура лесосеменнои плантации сосны обыкновенной первого порядка. По результатам анализа 20 ген- ферментным локусам, кодирующих 10 ферментных систем.составлен генетический портрет 70 плюсовых деревьев сосны обыкновенной, отобранных в Чувашской Республике.
Практическое значение работы. Проведено селекционное обследование семеноводческих объектов сосны обыкновенной в Чувашской Республики - клоновои плантации первого порядка и испытательных культур. Изучена генетическая структура лесосеменнои плантации сосны обыкновенной первого порядка, на основе чего даны рекомендации по стратегии отбора плюсовых деревьев в лесах Республики. Разработаны критерии отбора плюсовых деревьев для закладки ЛСП повышенной генетической ценности.
Обоснованность и достоверность результатов работы. Обеспечивается большим объемом экспериментального материала (изучено более 600 ра-мет разного возраста и около 70000 деревьев в испытательных культурах); применением современных методов математического анализа. Наблюдения проводились на стационарных объектах в течение 4-х лет (2001-2004г.).
Положения, выдвигаемые на защиту.
Селекционная оценка плюсовых деревьев по росту и устойчивости против обезвоживания хвои их вегетативного и семенного потомств.
Оценка клонов плюсовых деревьев по репродуктивной способности.
Генетическая структура клоновои ЛСП первого порядка.
4) Критерии отбора плюсовых деревьев для закладки ЛСП повышенной генетической ценности.
Внедрение результатов работ. Результаты проведенных исследований внедрены Марийским государственным техническим университетом при чтении курса «Селекция растений» на специальности 260400 - Лесное и лесопарковое хозяйство; Агентством лесного хозяйства по Чувашской Республике при закладке лесосеменной плантации сосны второго порядка в Ибре-синском лесхозе Чувашской Республики.
Личный вклад автора. Автором сделан анализ литературы, сформулированы цели и задачи, разработана программа исследований, выполнен сбор, обработка и анализ экспериментального материала; принято участие в выполнение изоферментного анализа; сформулированы выводы и рекомендации; осуществлена подготовка публикаций.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на V,VI и VII Международных конференциях «Плодоводство, семеноводство, интродукция древесных растений» (Красноярск, 2002,2003,2004), 3 международной научной конференции «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (Санкт-Петербург, 2003), научно - практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения доктора с.-х.н., профессора, И.А. Алексеева «Рациональное лесопользование и защита лесов в Среднем Поволжье» (Йошкар-Ола, 2004), Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольяти,2004), восьмых Вавилов-ских чтениях - (Йошкар-Ола, 2004).
Публикации. Основное содержание опубликовано в 8 печатных работах. Из них 5 - материалы международных научных конференций, 2 - материалы всероссийской, междисциплинарной конференции, 1 материалы научно-практической конференции.
Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, 6 глав, выводы и рекомендации, список литературы и приложения. Объем без приложений 174 страниц, в том числе 51 таблица, 25 рисунков, 13 приложе-
"Я
7 ний. Список литературы включает 215 названий, из них 17 на иностранных
языках.
Благодарность. Приношу огромную благодарность заведующему лабораторией лесной генетики Ботанического сад-института Уфимского научного центра РАН, кандидату биологических наук Шигапову 3. X. за неоценимую помощь при выполнении изоферментного анализа и написании 5 главы диссертации, коллективу инженерно-технических работников Ибресинского лесхоза за помощь при сборе полевого материала.
Применение изоферментного анализа в генетике и селекции древесных растений
Лесные селекционеры вынуждены при проведении исследовательских работ древесных растений изучать не генотип, а фенотип, то есть изучать только внешнее проявление признаков. Тем ни менее путь от наследственных единиц- генов к определенным и доступным нашему изучению признакам очень длинным и сложный. Фенотипический признак может значительно варьировать как в результате процессов саморегуляции в организме, так и под влиянием меняющихся условий внешней среды, что приводит к значительным изменениям при одном и том же наследственном задатке. Перепективным методом изучения непосредственно генетической изменчивости древесных растений является метод изоферментных спектров, который позволяет по фенотипическому признаку - спектру изоферментов - судить о генотипе особи (Корочкин и др. 1977; Полозова, 1978; Ларионова, 1983; Гончаренко и др., 1989). По сообщению Л.Я. Полозовой (1978) суть метода заключается в следующем. Разные изоформы одного фермента отличаются друг от друга размерами, в результате чего их подвижность в поле постоянного тока различна и они размещаются на каком-либо нейтральном носителе в определенной последовательности. При проявлении ферментов с помощью гистохимических методов, получают электрофореграммы в виде спектров полос изоферментов, разных для индивидуумов, отличающихся по своей генетической конституции. Таким образом, получают видимое фенотипическое проявление аллельной изменчивости генов, контролирующих данные ферменты. Широкое применение методы изоферментного анализа нашли в популя-ционной генетике (Духарев, 1978в; Духарев и др., 1984; Полозова, Санина, 1985; Алтухов и др., 1986а, 19866; Крутовский и др., 1987, 1988; Шурхал и др, 1988, 1989; Гончаренко и др., 1991; Семериков и др., 1993; Камалова, 1997; Камалова и др, 1997; Чернодубов, 1997 и др.), при изучение межвидовых отличий древесных растений (Крутовский и др., 1990; Шурхал и др., 1991, Подогас и др., 1991).
Сравнительное исследование двух популяций сосны обыкновенной методом электрофореза и морфологическим методом показало, что оба метода могут дополнять друг друга, позволяя четко различать популяции древесных пород (Л.Я. Полозова, Г.А.Абатурова, 1976). По данным А.И. Чернодубова (1992) 56% всей дисперсии популяции связано с изоферментами. Наряду с этим изоферментный анализ используется и при селекционных исследованиях древесных растений (Гончаренко и др., 1989; Кончиц, Кова-левич, 2003). Г.Г. Гончаренко, В.Е. Подутов и В.В. Потенко (1989) выделяют пять возможных случаев применения метода электрофореза в лесной селекции: 1. Паспортизация отдельных деревьев. Вся селекционная работа идет на базе материала, полученного с лучших (плюсовых) деревьев. Поэтому знание генетического портрета позволяет определить с какого дерева получена та или иная селекционная продукция (прививочные черенки, семена) и дает возможность вовремя обнаружить ошибки. 2. Идентификация клонов на лесосеменных плантациях. Используя изо-зимный анализ можно легко обнаружить все случаи, когда по каким-либо причинам в состав клона попали генетически чуждые ему деревья. 3. Оценка эффективности контролируемых скрещиваний. Для этой цели с начала определяют генотип родителей, затем генотипы потомков полученных при скрещивании. 4.
Определение загрязнения плантации чужеродной пыльцой. 5. Оценка степени самооплодотворения у хвойных видов. В работе А.Я. Ларионовой (1983) показана возможность использования данных ферментных систем для генетических и селекционных исследований лиственницы. Установлено, что значительная индивидуальная изменчивость по составу изоферментных спектров пероксидазы и эстеразы генетически обусловлена. Рассматривая спектры эстераз у потомства от самоопыления и материнского дерева, В.А. Духарев (1978а) пришел к выводу, что спектр неспецифичных эстераз у кедра сибирского постоянен на промежутке времени с 14 до 90 лет. Исследования Г.М. Пастернака и Л.Б. Михлиной (1983) показали возможность использования системы изоферментов эстеразы для определения степени родства подроста и материнского полога. В.А. Духарев (19786) анализируя данные, полученные при изучении изоферментов у деревьев 1 и 2 ярусов и в хвое 6-, 12- и 18-месячных сеянцев, выращенных из семян деревьев 1 яруса установил, что с увеличением возраста деревьев увеличивается число гетерозигот и уменьшается число гомозигот.
Селекционная оценка потомств плюсовых деревьев
Отбор плюсовых деревьев является начальным этапом организации лесного семеноводства на генетико- селекционной основе. Следующим важным этапом является оценка генетической ценности плюсовых деревьев по росту его потомства (Орленко, Щвец, 1968, Долголиков, Осьминина, 1984, Осипо-ва, 2002).
Согласно Указаниям по лесному семеноводству в РФ (2000)/отобранные по фенотипическим признакам плюсовые деревья, а так же созданные на их основе ЛСП первого порядка подлежат обязательной генетической оценке по продуктивности, качеству ствола и другим селектируемым признакам их семенных потомств в испытательных культурах. Генетическую ценность плюсовых деревьев определяют по их общей и специфической комбинационной способности - способности сохранять в семенном потомстве ценные селектируемые признаки. Окончательную оценку проводят в возрасте потомств не менее V2 возраста рубки главного пользования.
Отбор на общую комбинационную способность плюсовых деревьев является обязательной составной селекциионных программ в России (Указания по лесному семеноводству в РФ, 2000), Латвии (Роне и др., 1976), на Украине (Молотков, 1983), Казахстане (Мосин и др., 1983), Финляндии (Веняляйнен, 1990), Нидерландах (Фрис, 1990) и др. странах.
Длительность периода испытания на элитность по прямым селектируемым признакам и отсутствие испытательных культур сдерживают темпы работ по оценке генетических свойств плюсовых деревьев и закладки ЛСП второго порядка. Доказано, что даже небольшое генетическое улучшение может дать значительный экономический эффект, если площади ежегодной посадки составляют многие тысячи гектаров (Lindgren, 1991). Поэтому для постепенного улучшения генетических свойств семян, производимых на ЛСП, не следует ожидать окончательной проверки плюсовых деревьев по потомству в испытательных культурах до возраста, равного половине возраста рубки. Более целесообразно проводить предварительную оценку плюсовых деревьев и приступить к закладке ЛСП повышенной генетической ценности, которые получили официальный статус в 2000 году (Указания по лесному семеноводству РФ, 2000).
По результатам оценки испытательных культур проводят поэтапную отбраковку деревьев, потомства которых показывают в испытательной совокупности относительно худшие результаты. Оценку плюсовых деревьев по росту семенного потомства рекомендуется проводить в 3 этапа: 1 этап - по достижении потомствами II класса возраста, 2 этап - через 10-15 лет, 3 этап — окончательная оценка проводится в возрасте потомств не менее Уг возраста рубки главного пользования (Указания...,2000; Ефимов, 2003, Тараканов и др., 2001).
При селекции на быстроту роста основное внимание обращается на показатели высоты, прироста в высоту, диаметр ствола, ширину кроны и тд. (Долголиков, Осьминина, 1984).
В.А. Кублик (1999) отбор перспективных клонов для ЛСП второго порядка рекомендует проводить по комплексу двух признаков: семенной продуктивности клонов и среднему приросту в высоту семенных потомств. И.Н. Осипова (2002) отбор перспективных клонов рекомендует проводить на основе их комплексной оценки по общей комбинационной способности, определяемой по росту их семенного потомства не ранее 20- летнего возраста, и репродуктивной способности привоев, оцениваемой по средней урожайности семян с 1 дерева за многолетний период. При отсутствии данных об урожайности возможен отбор только по ОКС Для предварительной оценки плюсовых деревьев рядом авторов предлагается использовать способы, основанные на учете комплекса фенотипиче-ских признаков. Для предварительной оценки в испытательных культурах СН. Багаевым (1983) разработан способ сравнительных коэффициентов. Суть способа заключается в том, что среднее значение признаков по всем семьям принимают за единицу, а среднее значение признака отдельно для каждой семьи маштабируют к этому исходному значению. В итоге ранг, занимаемый семьей, определяется суммой коэффициентов по всем принятым для оценки признакам. При оценке семей ели, с использованием в качестве признаков высоты и процента быстрорастущих особей в семье, в лучшую категорию выделено 4 семьи из 21.
В.М. Роне, ЯЗ. Кавац, И.И. Бауманис (1976) разработали способ комбинированного отбора на общую комбинационную способность и стабильность проявления признаков в определенных экологических условиях. В.К. Малкин (1971) предложил способ отбора деревьев лиственницы по комплексу признаков, при этом в группу лучших были включены деревья с урожайностью в один, два и более раз выше урожайности среднего дерева на опытном участке и превышающие средние значения по диаметру и высоте на 5% и более. При селекции южных сосен предполагается оценка по индексу, состоящему из 10-12 признаков (Dorman, 1976). Методику оценки плюсовых деревьев сосны и ели, в основе которой лежит оценка на общую и специфическую комбинативную способность, разработали СП. Зуихина и СП. Погиба (1989).
Водоудерживающая способность хвои вегетативного и семенного потомств
Чувашская Республика находится в зоне неустойчивого увлажнения (глава 2.1), поэтому дефицит увлажнения для растений здесь играет значимую роль. В качестве диагностирующего признака засухоустойчивости хвойных пород М.М. Котовым (1988а) предложена водоудерживающая способность хвои (ВУС), выраженная через t5o время потери 50% воды содержащейся в хвое. В ряде работ показана значительная индивидуальная изменчивость хвойных пород по ВУС хвои, обусловленная генетическими особенностями организма (Котов, 1988а, Лебедева, 1989; Прохорова, 1996; Котов и др. 2002 и др.). Результативность использования водоудерживающей способности хвои (t5o) в качестве диагностирующего признака на объектах ЕГСК подтверждена многочисленными работами (Котов, 1988а; Котов, 19886; Ур-маков, Котов, 1999; Урмаков, 2000; Котов и др., 2002). Оценку ВУС хвои проводили для вегетативного потомства на клоновой ЛСП, семенного в испытательных культурах. Всего изучено 40 клонов в 14-летнем возрасте (2 участок), 72 клона в 18 летнем возрасте (3 участок) и 48 семей в возрасте 10-11 лет. Определение ВУС хвои через расчет показателя t5o осуществляли по методики М.М. Котова(1988). Характеристика клонов и семей по ВУС приведена в приложениях. Среднее время потери 50% воды хвоей клонов на втором участке составило 126,09ч на третьем 51,21ч (табл. 3.10). Семенное потомство на первом участке достигает времени критического обезвоживания в среднем за 114,26ч, на втором за 61,37ч, на третьем за 122,02ч. Существенные различия между средними значениями t5o между разными участками можно объяснить несовпадением календарных сроков сбора образцов. На эту особенность указывал М.М. Котов (1988) считая, что показатели водного режима растений лабильны в том числе в сезонной динамики.
В работах М.М. Котова (1988), Г.Н. Урмакова, М.М. Котова (1999) показано, что, несмотря на изменения абсолютных значений t5o в течение года, ранговое положение деревьев остается стабильным. Об индивидуальной изменчивости по этому показателю можно судить по отличием tso У клонов и семей на всех участках. Клоны с максимальными значением t5o превышают клоны с минимальными значениями в 2 раза, а семьи не менее чем в 1,5-5,5 раза. Например, на 2 участке 6 клонон имеет среднее значение t50- 159,2 ч, а 44 клона- 88,2ч (табл. 3.11). На третьем участке минимальное значение t5o имеет 114 клон (29,3ч), максимально 12 клон (114,51ч). У семенного потомства t5o находится в пределах от 84,28ч (20 семья) до 161,46 ч (23 семья) на первом участке, от 33,12 (130 семья) до 94,29 ч (27 семья) на втором участке, от 87,24ч (72 семья) до 159,17ч (166 семья) на третьем участке. Внутри клонов и семей также можно отметить неоднородность по ВУС хвои. Таким образом, полученные данные свидетельствуют об индивидуальной изменчивости клонов и семей плюсовых деревьев по устойчивости против обезвоживания хвои.
Результаты дисперсионного анализа подтвердили наличие достоверных различий по значениям t5o между разными клонами, фактическое значение критерия Фишера превышает табличное при уровне значимости 0,05 (табл. 3.12). Изменчивость клонов по ВУС хвои на 36-69% обусловлена генотипи-ческими особенностями материнских деревьев, семенного потомства на 27-79%. Коэффициент ранговой корреляции Спирмена между t5o одноименных клонов на 2 и 3 участках составил 0,409, это говорит о том, что клоны в определенной степени сохраняют свое ранговое положение по водоудержи-вающей способности хвои. Между одноименными клонами и семьями также установлена зависимость, коэффициент ранговой корреляции Спирмена на разных участках варьирует от 0,308 до 0,708. Данные таблицы 3.13 показывают, что клоновое и семенное потомство одного плюсового дерева имеют близкие ранги. Сравнение водоудерживающей способности вегетативных и семенных потомств из разных типов лесорастительных условий (ТЛРУ) показало, что хотя и наблюдается увеличение среднего значения t5o с увеличением плодо родия почвы, отличия между группами недостоверны. Коэффициент досто верности отличия средних не превышает 0,11-1,77. Дисперсионный анализ также показывает отсутствие достоверного влияния типов лесорастительных условий мест произрастания материнских плюсовых деревьев на значение tso их потомств, фактический критерий Фишера меньше табличного во всех слу- чаях.
Индивидуальная генетическая изменчивость плюсовых деревьев сосны обыкновенной
Данные таблицы 5.4 показываю, что, несмотря, на достаточно низкий генетический полиморфизм на ЛСП сосны обыкновенной, отдельные клоны плюсовых деревьев значительно отличаются по генотипу. Индивидуальная гетерозиготность плюсовых деревьев оценивалась по всем 20 локусам. У разных клонов встречается от 0 до 5 гетерозиготных ло-кусов, соответственно уровень индивидуальной гетерозиготности клонов плюсовых деревьев варьирует от 0 до 0,25 (табл. 5.5). У наибольшей части клонов (60,1%) уровень гетерозиготности соответствует характерному для плантации уровню в целом, т. е. в герозиготном состоянии находится 10-15% локусов (2-3 локуса). Полностью гомозиготными по всем анализируемым локусам являются клоны номер 20, 41, 47, 67 и 149 (7,1%). Четырнадцати клонов (20,0%) характеризуются более низким уровнем индивидуальной гетерозиготности по сравнению со средней для плантации, доля гетерозиготных локусов составила 5% (1 локус). И только 12,8% клонов (18, 32, 33, 43, 45, 73, 77, 79, 101) имеют более высокий уровень индивидуальной гетерозиготности (20-25%).
В литературе встречаются сведения о большей адаптивной способности полигетерозиготных особей (Кавац, Роне, 1975; Правдина и др. 1982; Духа-рев, 19786; Полозова, Правдин, Духарев, 1978). В работах В.А. Духарева, М.М. Котова (1985), М.М. Котова (1988а), Г.Н. Урмакова, М.М. Котова Анализ зависимости между уровнем гетерозиготности плюсовых деревьев и их высотой проводился отдельно по классам возраста (средневозрастные 41-60 лет, приспевающие 61-80 лет, спелые 81-100 лет, перестойные 101 и более лет). У приспевающих и спелых плюсовых деревьев между высотой и уровнем гетерозиготности установлена тесная положительная зависимость, коэффициент корреляции 0,85 и 0,70. У перестойных плюсовых деревьев зависимость также положительная, но весьма слабая, коэффициент корреляции 0,11. У средневозрастных плюсовых деревьев наоборот зависимость носит отрицательный характер, коэффициент корреляции -0,54. Наличие значительной отрицательной зависимости между высотой и уровнем гетерозиготности у средневозрастных плюсовых деревьев может быть объяснена тем, что в возрасте 41-60 лет в насаждении еще не завершилась окончательная дифференциация деревьев по росту. По нашим данным не удалось установить какой-либо зависимости между уровнем гетерозиготности материнских плюсовых деревьев и ростом их клонов на ЛСП. На рисунке 5.1 видно, что уровень гетерозиготности плюсовых деревьев и высота их клонов являются независимыми признаками.
