Биологическая сущность полиплоидии. 
Использование полиплоидов в лесном хозяйстве

Полиплоидия, или кратное увеличение гаплоидного набора хромосом, вызванное геномной мутацией, — обычное явление в биологии. По существу, в жизненном цикле высших растений спорофит является полиплоидом по отношению к гаметофиту, так как клетки его содержат удвоенный набор (диплоидный) набор хромосом.

У древесных растений более трети всех родов имеют полиплоидные виды. У голосеменных древесных растений естественная полиплоидия наблюдается очень редко. Истинным полиплоидом среди древесных форм голосеменных является секвойя вечнозеленая (Sequoia sempervirens), у которой клетки спорофита содержат 66 хромосом.

Иная картина наблюдается у лиственных пород. По мнению некоторых исследователей, виды ольхи и березы произошли путем полиплоидизации из исходных видов, имеющих гаплоидный набор, состоящий из семи хромосом. Максимальное число полиплоидных видов и наибольший размер плоидности среди древесных растений наблюдается в родах Morus и Salix. Род Ива в естественных условиях представлен видами с уровнем плоидности 2n, 3n, 4n, 6n, 8n, 10n, 12n. В эволюции многих видов и родов лесных древесных растений полиплоидия или была главным стратегическим направлением, или играла важную роль в сочетании с гибридизацией.

Одним из путей кратного увеличения набора хромосом в клетке является тот, когда при делении клетки хромосомы не расходятся в дочерние клетки. Если это происходит, например, во время анафазы ЙЙ мейоза в микроспороцитах, то образуется диплоидная микроспора, дающая в дальнейшем диплоидный спермий. При слиянии такого спермия с гаплоидной яйцеклеткой образуется триплоидная зигота. Естественный триплоид, возникший, как полагают, в результате опыления нормальной яйцеклетки лиственницы европейской пыльцой лиственницы западной, описан в литературе (C.S.Larsen, M.A.Westergaard, 1938). Естественные триплоиды известны и для лиственных пород. В 1935 году в лесах Швеции была найдена исполинская осина (N. Nilsson-Ehle, 1936). Позднее эту форму осины нашли и в других странах, в том числе и в России (А.С. Яблоков, 1963;С. П. Иванников, 1958; В. Т. Бакулин, 1966). Деревья исполинской осины, как правило, обладают мощным ростом и по высоте превосходят одинаковые по возрасту деревья обычной осины на 28%, по диаметру — на 97%; листья крупнее на 15−20%. Кариотипический анализ показал, что исполинская осина является триплоидом.

Поиск естественных полиплоидов в природе — дело трудное и непредсказуемое. Искусственно вызванная полиплоидия, полученая методом индуцированного мутагенеза, дает возможность получать сорта с новыми признаками и свойствами, отсутствующими у исходных форм. В качестве мутагенных факторов чаще всего применяют различные виды излучений, высокие и низкие температуры, некоторые химические вещества. Обычно в роли химического мутагена выступает ядовитое вещество колхицин, который получают из растения безвременника осеннего (Colchicum autumnale). В 1937 г. исследователи А. Блексли и А. Айвери обнаружили направленно полиплоидизирующее действие алкалоида колхицина.

Колхицин разрушает веретено деления, и хромосомы не расходятся к полюсам клетки, а остаются на экваторе. В интерфазе хромосомы удваиваются и клетка становится полиплоидной. Мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз, называют супермутагенами. Из химических супермутагенов в селекции лесных пород используют диэтилсульфат, диметилсульфат, этиленимин, нитрозоалкилмочевину и ряд др. При работе с высшими растениями воздействию мутагенов подвергают семена, почки, пыльцу. В этом случае мутации проявляются уже у растений нового поколения. Методом индуцированного мутагенеза получены искусственные полиплоиды у сосны, ели, лиственницы, осины, ольхи, березы и др. пород.

О возможности использования полиплоидных форм в селекции лесных древесных пород нет единого мнения. У голосеменных появление новых полиплоидных форм наблюдается редко, причем по величине прироста эти полиплоидные формы уступают диплоидным формам тех же древесных пород. Среди полиплоидных форм, полученных у хвойных с помощью колхицина, более быстрый рост по сравнению с нормальными диплоидными формами удалось достичь только у криптомерии японской. У покрытосеменных растений возможности использования полиплоидии более благоприятны. У полиплоидных форм лиственных древесных пород встречаются как быстрорастущие, так и медленнорастущие формы. Особенно быстрый рост выявлен у триплоидных форм осины и березы.

Искусственные тетраплоидные формы хвойных обычно отличаются замедленным ростом и представляют интерес только при разведении карликовых растений в садах и парках. Эти формы почти не образуют репродуктивных органов и поэтому скрещивание их с нормальными диплоидными формами очень затруднено, хотя в результате могут быть получены триплоидные растения.

У триплоидных форм древесных растений при мейозе часть хромосом не находит себе пары. Поэтому образуются половые клетки с несбалансированным набором хромосом, которые затем погибают, что приводит к снижению плодовитости или полной бесплодности. Трудности с размножением бесплодных форм растений могут быть преодолены с помощью еще одного экспериментального метода, интенсивно разрабатываемого в селекции в последние годы. Речь идет о методе вегетативного размножения растений с помощью культуры тканей и клеток in vitro.

Метод культуры тканей основан на тотипотентности клетки, способности ее к делению и формированию в массе размножившихся клеток, отдельных тканей и органов, а в дальнейшем и целого растения того вида, из которого была получена эта клетка. Многочисленные опыты показали, что почти любая специализированная клетка содержит весь набор генов, контролирующий развитие ее в любом направлении. Первые успехи ботаников в этой области относятся к началу 30-х годов XX столетия. На пути к экспериментальному морфогенезу растений в культуре тканей надо было преодолеть три принципиальных барьера:

• · первый барьер состоит в том, что необходимо создать питательную среду, содержащую все требуемые вещества для изолированного существования клетки;
• · второй барьер связан с тем, что уже сам процесс изоляции клетки труден, так как связь между клеточными стенками у растений несравненно более прочная, чем у клеток животных;
• · третий барьер заключается в том, что клетки большинства тканей растения теряют способность к делению, свойства эти сохраняются лишь у клеток специальных тканей, называемых меристемами.

Преодолев эти барьеры ученые получили почти идеальные модельные системы для изучения дифференциации клетки как основы морфогенеза. Простота, тканевая однородность, возможность контроля за условиями культивирования — далеко не полный перечень достоинств этих моделей. Преимущества метода in vitro для древесных растений заключаются в независимости от вегетационного периода, неограниченного выхода посадочного материала отводной инициали, экономии времени при выведении и размножении сортов, закладке генетических банков, а также в возможности получения гибридов между естественно нескрещивающимися видами.

Клетки органов и тканей растений при переносе на искусствен-ную питательную среду переходят при определенных условиях к неограниченному размножению, образуя бесформенный тканевой наплыв — каллус. Периодически отделяя и перенося кусочки каллуса на свежую питательную среду, можно продлить жизнь культуры на неопределенно длительное время. Так появляется возможность сохранения селекционного материала в генных банках (коллекциях тканевых культур). Для размножения древесных растений in vitro чаще всего используют ювенильный материал (зародыши и их части, ткани мегагаметофита и проростки). Было установлено, что чем моложе растение (стадия зародыша и 10−20-дневных проростков), тем легче идет образование каллуса, а в последствии и морфогенез. Работ, в которых в качестве исходного материала использовались ткани взрослых растений, относительно немного. Основная трудность при размножении тканями взрослых растений — это гибель эксплантата на первых или последующих этапах культивирования.

Серией экспериментов с каллусными культурами, проведенными независимо советским биологом Р. Г. Бутенко и американским исследователем Ф. Стюардом, было показано, что каллусная клетка способна превратиться в клетку, дающую начало зародышу растения. Такая клетка функционально подобна оплодотворенной яйцеклетке или зиготе. Это явление называется соматическим эмбриогенезом в культуре тканей.

Особой формой культивирования клеток является культивирование изолированных протопластов — клеток, лишенных внешней деллюлозно-пектиновой оболочки. «Голые», окруженные лишь плазмалеммой клетки имеют ряд замечательных свойств и прежде всего способность к слиянию. Сливаться могут изолированные протопласты разных видов растений. В результате возникает гибридный протопласт, который можно отделить и заставить восстановить клеточную структуру. Образуется обычная по внешнему виду клетка, способная к культивированию в пробирке и образованию целого растения, но уже гибридного. Этот метод открывает широкие возможности для гибридизации, помогая преодолеть несовместимость родительских форм.

Древесные виды растений оказались очень трудным объектом для размножения in vitro. Тем не менее прогресс в этой области наблюдается. Используя общепринятые методы селекции, в условиях Канады улучшенные семена могут быть получены с лесосеменных плантаций только через 35 лет. Применение биотехнологии культуры тканей ускоряет этот процесс в три раза (S. Hashain, W. Cheliak, 1986). Для Новозеландской лесоводственной программы требуется ежегодно 75 млн сеянцев сосны замечательной, для чего необходимо провести 500 000 контролируемых скрещиваний. Методом клональ-ного микроразмножения с одного гибридного семени в течение шести месяцев можно получить более 250 побегов для черенкования и укоренения (S. Biondi, 1986).

Масштабные исследования по индуцированию органегенеза у различных представителей хвойных проведены и в России. Для 15 видов хвойных разработана технология клонального микроразмножения с использованием ювенильного материала. Преодолены трудности по укоренению получаемых в культуре побегов; перенесенные в почву растения развивались нормально. От одной инициали в течение года можно получить от 600 до 2 000 жизнеспособных растений в зависимости от породы (Т.С. Момот, 1988).

Для некоторых древесных пород разработана специфическая методика культуры тканей: для размножения Acer rubrum используется каллус верхушки побега; ольхи — каллус эпикотиля и верхушки побега; березы повислой — каллус стебля и пыльников; Castanea sativa — каллус апекса зародыша и верхушки побега; Corylus avellana — апекса зародыша. Для ели европейской в качестве эксплантата используются мегагаметофиты и зародыши; для сосны обыкновенной — хвоя. Как наиболее перспективный способ микроразмножения древесных растений рекомендуется индуцирование соматического эмбриогенеза как на эксплантатах, так и через культуру каллуса (Y.P.S. Bajaj, 1986).