CC BY
81
*УДК - 582.623 + 581.15 + 575.174.015.3 + 631.52
ГЕНЕТИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ИВЫ КОРЗИНОЧНОЙ (SALIX VIMINALIS L.) В ПРИРОДЕ (INSITU) И В КУЛЬТУРЕ (EXSITU)*
A.A. Афонин
Дана сравнительная характеристика генетического разнообразия ив (Salix L.) в природе и в культуре. Описана система селекции ив на основе инбридинга. Проанализированы проблемы таксономии ивы корзиночной (Salix viminalis L.). Описано расщепление в инбредных семьях ивы корзиночной по морфологии листовой пластинки. Доказан высокий генетический потенциал природных популяций ивы корзиночной на территории Брянского лесного массива.
Ключевые слова: энергетические плантации, ива корзиночная, аллельное разнообразие, инбридинг, беккроссирование.
Ивы (Salix L.) - это двудомные листопадные энтомофильные фанерофиты с симподиальным типом нарастания побегов, очередным листорасположением, соцветиями сережчатого типа, сильно редуцированным околоцветником и мелкими семенами, снабженными пучком волосков [6, 7, 12, 15, 16, 17,
18, 21, 23]. Знамениты высоким уровнем внутривидовой изменчивости и высоким видовым разнообразием (к роду Salix относится 300...500 видов и таксонов видового ранга) [15, 21]. Для рода Salix характерна полиплоидия: среди ив встречаются диплоиды (2n=2x=38), тетраплоиды (2n=4x=76), гексаплоиды (2n=6x=114), октоплоиды (2n=8x=152), декаплоиды (2n=10x=190) и даже додекаплоиды (2n=12x=228); реже обнаруживаются триплоиды (2n=3x=57); при этом основное число хромосом составляет x=19 [21]. Еще одна особенность ив - способность к межвидовой гибридизации (ауткроссингу), причем, успех гибридизации не всегда коррелирует с уровнем плоидности и положением в системе рода [4].
Особенности репродукции ив (двудомность, скороплодность, колоссальная семенная продуктивность и высокий радиус диссеминации, способность к межвидовой гибридизации) дают возможность использовать их в качестве модельного популяционно-генетического объекта. В частности, искусственные ивняки с запрограммированной динамикой их структуры могут использоваться для моделирования устойчивости лесных сообществ в условиях конкуренции между близкими видами, для изучения протокооперативных отношений в ценозах, для изучения эволюционной устойчивости родственныхвидов и закономерностей формирования метагенофондов [5, 8, 10].
Практическое значение многих видов рода Salix определяется их высокой продуктивностью (по общей биомассе), способностью давать прут для различных видов плетения, а также некоторыми биологическими особенностями, в частности, способностью к аутовегетативному размножению черенками, что позволяет сохранять клоны (генотипы, биотипы) с хозяйственно ценными признаками. Ивы широко используются при создании противоэрозионных, водорегулирующих, биоремедиационных, медоносных, кормовых, рекреационно-декоративных насаждений и культур плантационного типа для получения прута, коры и древесного сырья [2, 6, 7, 14, 17]. В последние десятилетия ивы рассматриваются как энергетическая культура второго поколения - источник биомассы для нужд «зеленой энергетики» [19, 24, 26, 27, 30]. Например, для работы электростанции мощностью 70 МВт (типа Брянской ГРЭС) ежегодно требуется около 200 тыс. тонн биомассы. Обеспечить такую электростанцию сырьем могут ивовые плантации площадью всего 25 тыс. га (25 км2) при эффективном выходе воздушно-сухого сырья 8 т/гахгод [11].
Однако в последние годы интерес к выращиванию ивовой биомассы как возобновляемого источника энергии заметно снизился [11, 24]. На наш взгляд, одной из главных причин скептического отношения к «ивовой энергетике» является нестабильность урожайности ивовых плантаций. При этом фактическая средняя урожайность значительно ниже заявленной максимальной биологической продуктивности. В то же время, давно известно [27], что высокий и стабильный урожай биомассы может быть обеспечен путем создания поликлональных насаждений.
Для получения новых высокопродуктивных клонов (биотипов) необходимо постоянное обновление исходных коллекций, в т.ч. путем использования материала из природных популяций. Особенности семенной репродукции ив - аутбридинг (амфимиксис) и анемохория - позволяют ожидать высокого уровня гетерозиготности не только по селективно-нейтральным, но и по селективно-значимым признакам. Тогда можно предположить, что высокая продуктивность многих биотипов (клонов) связана с их гетерозиготностью, что, в сочетании с полигенным характером наследования количественных признаков, затрудняет популяционную селекцию и семеноводство ив. Необходимость учета сложных взаимодействий «генотип-среда» затрудняет клоновую селекцию путем прямого отбора по хозяйственно-ценным признакам [16, 20]. Поэтому для выявления аллельного разнообразия в природных популяциях, наряду с молекулярно-генетическими методами [25, 29, 31], необходимо
* Работа выполнена в соответствии с программой темплана Минобрнауки РФ 1.6.11.
Использовать комплекс селекционных мероприятий.
Аллельное (гаплотипическое) разнообразие исходного материала наиболее велико в природных популяциях (in situ): при эффективной численности популяции порядка 104 в ней можно обнаружить практически любой аллель (гаплотип). Однако при аутбридинге шансы на фенотипическое проявление рецессивных аллелей ничтожно малы. И даже, если рецессивный аллель окажется в гомозиготном состоянии, то этот генотип (биотип) может быть элиминирован вследствие стабилизирующего (очищающего, отсекающего) отбора [1, 20]. Поэтому девиантные формы встречаются в природе сравнительно редко, как правило, в антропогенно измененных местообитаниях, где снижен уровень конкуренции [9, 23]. В коллекциях (ex situ), наоборот, аллельное разнообразие резко снижено вследствие прохождения селекционно-улучшенного материала через генетическую воронку, но повышаются шансы на фенотипическое проявление рецессивных аллелей и выявление соответствующих гомозигот [1].
Традиционно селекция ив основана на ауткроссинге, в результате которого часто наблюдается гетерозис: продуктивность гибридов на 20...50% превосходит продуктивность родительских видов (подвидов) [28]. Однако в этом случае не выявляется аллельное (гаплотипическое) разнообразие исходного материала. Поэтому для оценки генетического потенциала природных популяций нами был избран другой путь: инцухт (инбридинг), основанный на близкородственных скрещиваниях, включая беккроссирование.
Перспективными видами для создания многоцелевых плантаций считаются хорошо черенкующиеся кустарниковые (прутьевые) ивы секции Vimen Dum. 1825 (Viminella Ser. 1824), в частности, ива корзиночная (S. viminalis) [3, 5, 25, 27, 29, 31].
Ива корзиночная - Salix viminalis L. - (русс.: прутовидная, русская, конопляная; eng.: basket willow, osier willow, silky osier) является диплоидом (2n=2x=38), что повышает вероятность образования гомозигот при инцухте. Это аэроксильный быстрорастущий высокий кустарник, реже невысокое дерево (деревце). Порослевые побеги прутьевидные. Легко черенкуется. Цветет рано (II половина апреля - первые числа мая). Сережки почти сидячие, опушенные. Диссеминация в конце весны - начале лета. Семена мелкие (<1 мм). Годичные побеги окрашены в зеленые, серые, желтые тона. Густо опушены короткими отстоящими волосками. Многолетние ветви (стволики) зеленовато-серые. Обнаженная древесина без валиков. Листья очень узкие, часто почти линейные, иногда саблевидно изогнутые. Длина 80...125 (45...160) мм, при ширине 10...15 (7...18) мм. Край пластинки цельный, волнистый, завернут на нижнюю сторону. Зрелые листья сверху серо-зеленые, снизу очень густо опушены снежно-белыми или атласно-блестящими волосками. Прилистники мелкие, ланцетовидные, рано опадающие. Генеративные почки длиной 7...12 мм при ширине 2...3 мм, продолговато-яйцевидные (острые или тупые), сероволосистые. Вегетативные почки длиной 4...6 мм [6, 7, 15, 17].
Естественный ареал евроазиатского бореального типа: Средняя и Атлантическая Европа (отсутствует на Пиренеях, Апеннинах, Балканах, в Дании и Скандинавии), Восточная Европа (на севере европейской части России доходит до Белого моря, в Восточной Украине отсутствует южнее линии Харьков-Черкассы-Балта), Западная и Восточная Сибирь (до pp. Лена и Алдан), Монголия, Китай, Индостан. В культуре повсеместно, натурализована в Новом Свете (восток Северной Америки) [15, 17]. На территории Брянского лесного массива - типичный пойменно-аллювиальный вид, образует сплошные насаждения вдоль рек и ручьев по аллювиальным наносам, на песчаных отмелях, обрывах; вне пойм редко [6, 7].
Ива корзиночная неоднократно описывалась под синонимичными названиями: S. pseudolinearis Nas., S. semiviminalis E. Wolf, S. serótina Pallas, S. strobilacea Nas., S. verviminalis Nas., S. gmelinii Pall. (типовой экземпляр S. gmelinii Pall., возможно, является голотипом S. dasyclados [22]).
Близкие виды: S. rossica Nas. (ива русская), S. schwerinii E. Wolf (ива Шверина) [13]. Однако большинством саликологов указанные таксоны чаще рассматриваются как подвиды.
В.Н. Сукачев в 1930-е гг. в природных популяциях выявил ряд ценных форм ивы корзиночной: 'Ярвим' (пойма р. Волги), 'Омвим' (берег р. Иртыша), 'Хиллин-3' и 'Ильклин' (Забайкалье) (цит. по [14, 20]). В настоящее время разводятся различные культивары ивы корзиночной (S. viminalis f. culta hort.): S. viminalis var. lanceolata, S. viminalis var. gigantea, S. viminalis var. regalis. Однако зарегистрированных сортов ивы корзиночной немного, например, сорт 'Тернопольская' (Украина) [17].
Описаны многочисленные гибриды с участием ивы корзиночной: S. viminalis х S. aurita (S. х fruticosa Döll.), S. viminalis х S. caprea (S. х smithiana Willd.), S. viminalis х S. cinerea (S. х holosericea Willd.), S. viminalis х S. purpurea (S. х rubra Huds.), S. viminalis х S. triandra (S. х undulata auct.), S. caprea х S. viminalis (S. х acuminata auct.), S. purpurea х S. viminalis (S. х forbiana auct.), S. purpurea х S. undulata (S. х suckatschiovii auct.), S. dasyclados х S. viminalis (S. х stipularis Sm.), S. triandra х S. viminalis (S. х molissima Ehrh.). Однако для создания высокопродуктивных плантаций наиболее широко используются гибриды S. dasyclados х S. viminalis [29, 31].
Цель данного исследования: выявление генетического потенциала ивы корзиночной на
Территории Брянского лесного массива.
Брянский лесной массив (БЛМ) - это уникальный природно-территориальный комплекс Запада России. Умеренно-континентальный климат и разнообразие ландшафтов БЛМ (долинно-речные комплексы, полесья и предполесья) создают благоприятные условия для произрастания многих видов ив, что позволяет ожидать высокого уровня генетического разнообразия в природных популяциях этих древесных растений [6].
Исходный материал собирался в зеленой зоне г. Брянска в центральной пойме р. Десны (на территории Снежетьско-Деснянского низменного (долинно-речного) ландшафта БЛМ). Для создания исходной семьи S. viminalis (F0, vi Oixx) использовались семена, собранные 20.05.2001 г. с типичной особи ивы корзиночной из ивняка Salicetum triandro-viminalis (Tx. 1931) Lohm. 1952. (34,371874° в.д., 53, 220569° с.ш.).
Сеянцы F0 и последующих поколений выращивались в салицетуме Брянского государственного университета (серые лесные почвы на лессовидном суглинке с меловыми подстилающими породами; ТЛУ - D3). Схема размещения - тригональная (гексагонально-центрированная), с расстоянием между смежными особями в 2 м, что позволило минимизировать конкурентные отношения и создать равные условия для развития всех биотипов.
В качестве фенотипического показателя, отражающего уровень генотипической изменчивости, использовалась конфигурация листовых пластинок, которая описывалась с помощью коэффициента продолговатости Y/X (отношения длины листовой пластинки Y к ее ширине X).
Исходные сеянцы F0 характеризовались типичными видовыми признаками (включая морфологию листовых пластинок), но среди них наблюдалось расщепление по продуктивности, в частности, по годичному приросту лидерных побегов.
Потенциальная (скрытая) изменчивость морфологии листовой пластинки ивы корзиночной была выявлена путем инцухта (беккроссирования). В 2004 г. наиболее продуктивные особи F0 - vi 0102 (9) и vi 0105 ((^) - были скрещены между собой. Большинство их потомков (F1, vi 04хх) характеризовались типичными листовыми пластинками (YX=10,9... 13,5), и лишь одна особь - широкими листьями (Y/X=4,8...5,5). Наивысшую продуктивность показали две пестичные особи: vi 0402 и vi 0404 - с типичными листовыми пластинками.
В 2007 и 2009 гг. путем их беккроссирования с vi 0105 были получены две семьи F2/b: vi 0722х (от vi 0402) и vi 0924х (от vi 0404). В обеих семьях наблюдается расщепление по морфологии листьев.
По состоянию на вторую половину вегетационного периода 2011 г. большая часть сеянцев F2/b характеризовалась типичными листовыми пластинками, однако у двух сеянцев семьи vi 0722х листовые пластинки широкие (YX=6,4...6,5 и YX=6,8...7,8), а у двух сеянцев семьи vi 0924х - исключительно широкие (YX=4,6...5,5 и YX=5,2...5,3). В то же время в семье vi 0924х выявлен сеянец с исключительно узкими (линейно-ланцетовидными) листовыми пластинками (Y/X=15,0...18,3).
Примеры индивидуальных различий в морфологии листовых пластинок сеянцев ивы корзиночной, полученных в результате инцухта (беккроссирования), приведены в виде отсканированных листьев (рис. 1-4; цена деления масштабной линейки 10 мм). На рисунке 1 показаны листья с типичными листовыми пластинками. У некоторых сеянцев листовые пластинки широкие (рис. 2), а у отдельных сеянцев из семьи vi 0924x - исключительно широкие (рис. 3), похожие на листовые пластинки некоторых биотипов ивы шерстистопо бегов ой. Исключительно узкие листовые пластинки сеянца vi 09243 показаны на рисунке 4.
Таким образом, у ивы корзиночной при инцухте (беккроссировании) в культуре (ex situ) выявляются биотипы, не встречающиеся или редко встречающиеся в природе. Это свидетельствует о высоком генетическом (аллельном) потенциале природных популяций ивы корзиночной на территории Брянского лесного массива (in situ). Исходный материал из природных популяций может быть использован в селекции на продуктивность и отличимость, а также для получения декоративных клонов. В то же время, становится понятным, что при дальнейшей разработке таксономии S. viminalis необходимо учитывать возможность выщепления самых разнообразных форм.
Рисунок 1 - Морфология листьев ивы корзиночной с типичными пропорциями листовой пластинки (сеянец vi 09245): У/Х=10,9^13,5; a, Ь - адаксиальная сторона, ^ d - абакспальная сторона.
Рисунок 2 - Морфология листьев ивы корзиночной с широкими листовыми пластинками: a - ^^=6,4^6,5 (сеянец vi 07221); Ь - YX=6,8...7,8 (сеянец vi 07222); показана только адаксиальная
стоцона.
Рисунок 3 - Морфология листьев ивы корзиночной с исключительно широкими листовыми пластинками: a - 1^=4,6.5,5 (сеянец vi 09242);
Ь - ^^=5,2.5,3 (сеянец vi 09241); показана только адаксиальная сторона.
Рисунок 4 - Морфология листьев ивы корзиночной с исключительно узкими длинными листовыми пластинками (сеянец vi 09243):
a - YX=15,0...18,3; a - адаксиальная сторона, b - абаксиальная сторона.
A comparative characteristic of genetic diversity of the willow (Salix L.) in nature and in culture is given. A system for selection of willows on the basis of inbreeding is described. Problems of taxonomy of basket willow (Salix viminalis L.) analyzed. Segregation on the morphology of the leaf blade in inbred families of basket willow is described. We prove a high genetic potential of natural populations of basket willow in the Bryansk forest array.
The key words: energy plantations, basket willow, allelic diversity, inbreeding, backcrossing.
Список литературы
1. Алтухов, Ю.П. Генетические процессы в популяциях. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. 431 с.
2. Анциферов, Г.И. Ива. М.: Лесн. пром-сть, 1984. 101 с.
3. Афонин, А.А. Алгоритмы построения фазовых портретов однолетних побегов кустарниковых ив секции Vimen / А.А. Афонин, И.В. Кротикова // Рациональное использование ресурсного потенциала регионов России и сопредельных государств. Брянск: Издательство «Курсив», 2011. С. 11-22.
4. Афонин, А.А. Дифференциальная гибридизация ив Брянского лесного массива // Лесоведение,
экология и биоресурсы: Материалы междунар. научно-производств. конфер. «Брянщина - родина
отечественного и мирового высшего лесного образования». - Брянск: БГИТА, 2005. С. 141-143.
5. Афонин, А.А. Метагенофонд симпатрических популяций с различным уровнем репродуктивной изоляции: на примере ив (Salix L.) / А.А. Афонин, Л.Н. Анищенко, Е.В. Борздыко, Н.В. Маркелова // Ежегодник НИИ фундаментальных и прикладных исследований за 2010 г. Брянск: РИО Брянского
Тосударственногоуниверситета, 2010. C. 77-86.
6. Афонин, A.A. Ивы Брянского лесного массива. - Брянск: Изд-во БГУ, 2003. 237 с.
7. Афонин, А.А. Изменчивость массовых видов ив Юго-Запада России: Теоретическая и прикладная саликология. - Saarbrücken: LAMBERT Academic Publishing, 2011. 182 с.
8. Афонин, A.A. Методологические принципы создания устойчивых высоко продуктивных насаждений ив (на примере автохтонных видов Salix Брянского лесного массива). Брянск: РИО Брянского гос. ун-та, 2005. 146 с.
9. Афонин, А.А. Морфодинамика однолетних побегов длиннолистных форм ивы трехтычинковой / А.А. Афонин, Л.Н. Анищенко, Е.В. Борздыко // Наука и современность - 2010: Сб. материалов V междунар. научно-практ. конфер. - 4.1. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. С. 30-34.
10. Афонин, А.А. Сохранение и приумножение уровня биологического разнообразия в квазинативных экосистемах / А.А. Афонин, Л.И. Булавинцева // Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды: Материалы Междунар. конф. - Сыктывкар: Коми НЦ УрО РАН, 2009. С. 391-393.
11. Афонин, А.А. Эколого-генетические проблемы «зеленой» энергетики / А.А. Афонин, Л.И. Булавинцева // Биология в школе. 2011. №6. С. 16-24.
12. Валягина-Малютина, Е.Т. ИвыевропейскойчастиРоссии. - М.: КМК, 2004. 217 с.
13. Назаров, М.И. Salix/ Флора СССР. Т. 5. М.-Л.: Изд-воАН СССР, 1936. С. 24-216, 707-713.
14. Правдин, Л.Ф. Ива, её культура и использование. - М.: Изд-во АН СССР, 1952. - 168 с.
15. Скворцов, А.К. Ивы СССР. М.: Наука, 1968. 262 с.
16. Старова, Н.В. Селекция ивовых. М.: Лесн. пром-сть, 1980. 206 с.
17. Фучило, Я.Д. Верби України: (біологія, екологія, використ.): монографія / Я.Д. Фучило, М.В. Сбитна. K.: Логос, 2009. - 200 с.
18. Фучило, Я.Д. Ивы естественной дендрофлоры Украины / Я.Д. Фучило, М.В. Сбитная // Рациональное использование ресурсного потенциала регионов России и сопредельных государств. - Брянск: Изд-во «Курсив», 2011. - С. 175-180.
19. Фучило, Я.Д. Створення та вирощування енергетичних плантацій верб і тополь: Науково-методичні рекомендації / Я.Д. Фучило, М.В. Сбитна, О.Я. Фучило, В.М. Літвін. K.: Логос, 2009. 80 с.
20. Царев, А.П. Селекция и репродукция лесных древесных пород / А. П. Царев, С. П. Погиба, В. В. Тренин. М.: Логос, 2003. - 503 с.
21. Argus G.W. Infrageneric Classification of Salix (Salicaceae) in the New World. - Systematic Botany Monographs. 1997. Vol. 52. 121 p.
22. Belyaeva, I. Tipification of Pallas' names in Salix / I. Belyaeva, A. Sennikov // Kew Bulletin. 2008. Vol. 63. P. 272.87.
23. Chmelar, J. Die Weiden Europas / J. Chmelar, W. Meusel. Wittenberg-Lutherstadt: 1976. 143 s.
24. Fredga, K. Bioenergy: Opportunities and constraints / K. Fredga, K. Danell, K.H. Frank, D. Hedberg, S. Kullander // Energy Committee Report. 2008. June. 30 p.
25. Hanley, S. A genetic linkage map of willow (Salix viminalis) based on AFLP and microsatellite markers /
S. Hanley, G.H.A. Barker, J.W. van Ooijen, C. Aldam, S.L. Harris, I. Ahman, S. Larsson, A. Karp // Theol: Appl. Genet. 2002. 105. P. 1087-1096.
26. Heinsoo, K. Fine root biomass and production in a Salix viminalis and Salix dasyclados plantation / K. Heinsoo, E. Merilo, M. Petrovits, A. Koppel // Estonian Journal of Ecology. 2009. 58 (1). P. 27-37.
27. McCracken, A.R. Interaction of willow (Salix) clones growing in mixtures // Ann. Appl. Biol. 1998. 132, Suppl. P. 54-55.
28. Möller, R. Crop platforms for cell wall biorefining: lignocellulose feedstocks / R. Möller, M. Toonen, J. van Beilen, E. Salentijn, D. Clayton. CNAP, University of York, 2007. 162 p.
29. Rönnberg-Wästljung, A.C. A genetic linkage map of a tetraploid Salix viminalis x S. dasyclados hybrid based on AFLP markers / A.C. Rönnberg-Wästljung, V. Tsarouhas, V. Semerikov, U. Lagercrantz // Forest Genetics. 2003. 10(3). P. 185-194.
30. Smart, L.B. Genetic Improvement of Willow (Salix spp.) as a Dedicated Bioenergy Crop / L.B. Smart, K.D. Cameron // Genetic Improvement of Bioenergy Crops / W. Vermerris (ed.). University of Florida - New York: Springer Science + Business Media, LLC, 2008. P. 347-376.
31. Weih, M. Genetic basis of phenotypic correlations among growth traits in hybrid willow (Salix dasyclados x S. viminalis) grown under two water regimes / M. Weih, A.C. Rönnberg-Wästljung, C. Glynn // New Phytol. 2006. 170. P. 467-477.
Об авторе
Афонин A.A. - доктор сельско-хозяйственных наук, профессор Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского, [email protected]
