3 Изменчивость

Изменчивостью называют различия признаков и свойств между двумя или группой особей, предками и потомками одного и того же или разных видов растений и животных. В зависимости от масштаба исследований известно несколько уровней внутривидовой изменчивости: различия отдельных частей организма – метамерная изменчивость; несхожесть некоторых признаков у отдельных особей – индивидуальная изменчивость и в группе особей одного вида – групповая, или внутрипопуляционная изменчивость и межпопуляционная изменчивость. Кроме внутривидовой выделяют надвидовую изменчивость, куда относятся межвидовые и межродовые различия (Любавская, 1982).

Изменчивость: наследственная и ненаследственная.

Наследственная (генотипическая) изменчивость связана с изменением генотипа. Изменение свойств и признаков организма может быть обусловлено изменением гена или других элементов генетического аппарата клетки. Такие изменения называют мутациями. Мутации возникают скачкообразно в отдельных половых клетках и сохраняются в поколениях.

Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями генов, но и различной их комбинацией. Комбинация генов при наличии взаимодействия между ними может привести к появлению новых признаков или к новому их сочетанию. Такую изменчивость называют комбинативной, и возникает она в результате скрещивания.

Ненаследственная (модификационная) изменчивость - изменения в организме, связанные с изменением фенотипа вследствие влияния окружающей среды и носящие, в большинстве случаев, адаптивный характер. Генотип при этом не изменяется. Все признаки и свойства организма наследственно детерминированы, однако организмы наследуют не сами признаки и свойства и даже не необходимость их развития, а лишь его возможность. Для того чтобы признак развился, или, как принято говорить, генотип реализовался в фенотипе, необходимы соответствующие условия внешней среды.

Но даже в том случае, когда развитие признака происходит, степень его выраженности может варьировать в зависимости от условий внешней среды в определенных пределах. Поэтому принято говорить, что организмы наследуют определенную норму реакции (Лобашев, 1979).

С. А. Мамаев делит изменчивость древесных растений на 2 типа: внутривидовую и эногенную. Внутривидовая делится на несколько форм: индивидуальную, половую, хронографическую, экологическую, географическую, гибридогенную.

Индивидуальная – изменчивость шишек, кроны, строения коры, зависит от экологических факторов.

Половая – проявляется в половых формах у двудомных растений, у которых имеются мужские и женские экземпляры.

Хронографическая: сезонная (сроки распускания, цветения, созревания, опадения) и возрастная (процесс старения древесных растений).

Экологическая – условия мест произрастания древесных растений.

Географическая – в пределах ареала данного вида и зависит от широтного и меридиального расположения.

Гибридогенная – переопыление и получение гибридов.

Эндогенная – изменчивость органов растений в пределах одной особи (Любавская, 1982).

Для изучения изменчивости ив использовались созданные на базе Брянского государственного университета коллекционно-селекционно-маточные насаждения.

Созданные насаждения представляют собой модельные популяции. Первичные насаждения создавались на основе сеянцев нулевого поколения (F0), полученных из семян в природных и искусственных насаждениях в зеленой зоне г. Брянска. Семена (как и выращенные из них сеянцы), собранные с одной особи, рассматривались как семья. Выращенный исходный материал использовался как источник материала (семян и черенков) для выращивания генет F1 и рамет. Разнообразие исходного материала в модельных популяциях определяется как межвидовыми и межиндивидуальными различиями материнских особей, так и сбором семян в разных местообитаниях и в разное время.

Выращивание сеянцев производилось по стандартным методикам в полиэтиленовых контейнерах объемом 0,5 дм3. Для выращивания черенковых саженцев также использовались стандартные методики. Для укоренения черенков с наиболее ценных растений использовались полиэтиленовые контейнеры объемом 2 дм3.

Уход за сеянцами и черенковыми саженцами, высаженными на постоянное место, заключался в поливе, подвязке к кольям, прополке. При сильном поражении гусеницами, тлями и паутинными клещами растения опрыскивались карбофосом (http://afonin-59-salix.narod.ru).

Продуктивность сеянцев и черенковых саженцев оценивалась по общей высоте растений (H), по длине годичного прироста лидерного побега (L) и его диаметру (D) на расстоянии 20 см от начала побега, по побегообразовательной способности растения.

Для создания семей использовались семена, собранные в середине июня 2003 г. с шести особей S.alba из двух разных местообитаний, но одного типа растительности (Salicetum albae).

Всхожесть семян, собранных с 6 материнских особей, при проращивании на фильтровальной бумаге – почти 100%-ная, но после переноса всходов на торфо-минеральный субстрат часть сеянцев погибла на стадии образования первого листа, а часть существенно отставала в развитии и была выбракована.

К концу вегетационного периода 2003 г. выявилась неоднородность однолетних сеянцев по высоте: самые слабые достигли высоты 15 см, самые сильные – 45 см (при моде 25…35 см). По окраске стебля сеянцы разделились на двуцветные (красноватые/зеленые) с умеренно интенсивной окраской (21 сеянец), двуцветные светлые (10), двуцветные яркие (2), желтовато-зеленые (3) и зеленые с легким загаром (6). По опушению стебля были выделены сеянцы густо опушенные (3), коротко опушенные (16), слабо опушенные (23). По конфигурации и окраске листовых пластинок существенных различий выявлено не было. По окраске черешка сеянцы разделились на три группы: с зеленым (желтовато-зеленым) (23), светло-коричневым (13) и красноватым черешком (6). По окраске почек были выделены сеянцы с карминными (4), светло-коричневыми (4), красновато-коричневыми (29) и коричневыми (5) почками. При этом какой-либо связи между признаками или приуроченностью признаков к какой-либо семье выявить не удалось (http://afonin-59-salix.narod.ru).

В начале июня 2004 г. перезимовавшие сеянцы были высажены в открытый грунт в коллекционном питомнике БГУ по схеме 30×60 см. В течение лета часть сеянцев (слаборослые, с нарушениями морфогенеза) была выбракована. В итоге из семьи al2 сохранилось 11 сеянцев, al1 – 7, al6 – 2, al3 – 1. В начале сентября 2004 г. была произведена очередная оценка двухлетних сеянцев. Все они сохранили типичные признаки S.alba, лишь один из них (al2-1) по внешнему виду напоминает гибриды S.alba × S.fragilis, однако край листовой пластинки у него мелкопильчатый, а не грубо пильчатый, как у гибридов. Двулетние сеянцы различались, в первую очередь, по длине лидерного побега (60…75 см, 90…130 см, 150…160 см, причем наиболее высокорослые особи принадлежат к семье al2), по интенсивности побегообразования на несущем побеге первого года (слабое, обильное, с сильным конкурентом или без него), по ветвлению лидера (отсутствует, вблизи основания и вблизи вершины, вблизи основания и в средней части, только вблизи основания, только в средней части, только вблизи вершины). Сохраняющиеся ланцетовидные крупные (~5мм) прилистники хорошо развиты только у одного сеянца (al2-2), у остальных сеянцев они или исключительно мелкие, или рано опадающие. Интенсивность шелковистого опушения побегов различна, у двух сеянцев (al2-4 и al2-8) побеги практически голые. Листья у большинства сеянцев продолговато-ланцетовидные (Y/X=4,3…6,9), с округленно-клиновидным основанием и заостренной верхушкой, однако у двух сеянцев верхушка длинно заостренная, что приводит к возрастанию коэффициента продолговатости до 7,7 (al2-7) и даже 9,0 (al2-3).

Весной 2005 г. сохранившиеся сеянцы были перешколены: высажены по двурядной гексагональной схеме: с шагом 80 см, узкими междурядьями 60 см и широкими междурядьями 80 см (http://afonin-59-salix.narod.ru).

На третьем году жизни во всех семьях S.alba было выявлено расщепление по пробудимости почек, побегообразовательной способности и степени апикального доминирования, по углу отхождения боковых побегов, по степени пораженности ржавчинными грибами. В итоге каждый сеянец характеризуется уникальным сочетанием признаков, позволяющим отличить его от сибсов и сеянцев из других семей.

Общая высота трехлетних сеянцев S.alba варьирует от 150 у самых слабых сеянцев до 280–330 см у самых сильных (при моде 225 см). Распределение сеянцев по общей высоте носит сложный характер (далеко от нормального). Поэтому для сравнения сеянцев из наиболее многочисленных семей (al1 и al2) был использован X-критерий Ван-дер-Вардена; оказалось, что сеянцы из семьи al2 достоверно (Р=0,05) выше, чем сеянцы из семьи al1.

Средний прирост лидера за третий год жизни (L3) во всех семьях S.alba составил 130±8,2 см (CV=26,8%), в семье al2 – 129±11,7 см (CV=30,1%); у лучших сеянцев (al2-4 и al6-1) L3 достиг 175–180 см, у наиболее слабых – 65 см. При этом среднее число метамеров на лидерном побеге во всех семьях равно 44,4±3,3 (от 20 до 63, CV=31,4%), в семье al2 – 41,5±5,0 мм (от 20 до 62, CV=39,7%). Средняя длина междоузлия во всех семьях S.alba составила 30,6±1,88 мм (от 21,3 до 52,4 мм, CV=26,0%), в семье al2 – 33,2±2,72 мм (от 28,1 до 30,77, CV=27,2%); это в 1,5 раза больше, чем в природе. Средний диаметр (D) однолетних побегов на расстоянии 20 см от основания составил 6,6±0,43 мм (от 3 до 11; CV=27,6%), в семье al2 – 6,9±0,48 мм (от 4 до 10 мм; CV=22,8%).

В общем массиве сеянцев (все семьи S.alba) не обнаружена корреляция между длиной междоузлия и длиной лидера, между диаметром и длиной годичных побегов (r~0). Однако выявлена достоверная (P=0,05) положительная корреляция между диаметром однолетних побегов и общей высотой сеянцев: rDH=0,622. Это означает, что совместная изменчивость H и D носит коррелятивно-комбинативный характер, и позволяет выделить сеянцы – высокие с относительно толстыми побегами (например, al2-8 и al6-1: Н=280…290 см, H/D=250…290), высокие с умеренно толстыми побегами (например, al2-5: Н=280 см, H/D=350) и высокие с относительно тонкими побегами (например, al2-10: Н=330 см, H/D=470) (http://afonin-59-salix.narod.ru).

4 Методы изменения наследственности

4.1 Мутагенез

Мутации — это прерывистые, скачкообразные изменения на­следственных структур, возникающие под влиянием факторов сре­ды. Изменчивость, обусловленная возникновением мутаций, назы­вается мутационной. Растения с мутировавшими клетками назы­ваются мутантами.

Мутации классифицируют по различным признакам. В зависимости от того, на каком уровне они возникают и какие генетические структуры затрагивают, различают мутации генные, хромосомные, геномные, пластидные и плазменные.

Генные мутации представляют собой наследственные измене­ния, связанные с появлением новых аллелей. Они возникают на уровне нуклеотидов в результате потери или удвоения, измене­ния порядка чередования или вставки одного или нескольких нуклеотидов в молекулах ДНК в ядре. Так как фиксированных границ между триплетами не существует, все перечисленные из­менения в молекулах ДНК приводят к изменению порядка "счи­тывания" наследственной информации, заключенной в этих мо­лекулах.

Хромосомные мутации возникают вследствие разрывов хромо­сом. Оторванная часть хромосомы (фрагмент) может присоеди­ниться к той же или любой другой хромосоме или элиминирует­ся в процессе деления клетки. Потеря части хромосомы называ­ется делекцией, удвоение одного и того же участка хромосомы — дупликацией, поворот в пределах одной хромосомы какого-то учас­тка ее на 180° получил название инверсия, а присоединение фраг­мента к другому месту той же или другой негомологичной хромосомы — транслокации. Перестройки, захватывающие всю хромосо­му, называются хромосомными, а хроматиду — хроматидными (Котов, 1997).

Геномные мутации связаны с изменением числа хро­мосом в клетке.

Плазменные мутации представлены изменениями наследствен­ных структур в цитоплазме, а пластидные — в пластидах. Они изучены пока недостаточно полно.

Элементарной единицей мутации считается мутон, равный одному нуклеотиду.

Мутации возникают в природе и могут быть вызваны искус­ственно. Первые называются спонтанными (естественными), а вторые — индуцированными (искусственными). По своей природе мутации естественного происхождения и полученные искусствен­но не отличаются.

Мутации, возникающие в гаметах, называются гаметическими, а в клетках тела - соматическими. Если мутировавшая гамета участвует в оплодотворении и образовании зиготы, то все клетки организма, вырастающего из такой зиготы, будут мутировавши­ми. Соматическая мутация передастся только тем клеткам орга­низма, для которых в качестве исходной материнской служила соматическая мутантная клетка. Таким образом возникает хи­мерный организм, состоящий из клеток с неодинаковой генети­ческой информацией.

По характеру фенотипического проявления различают мута­ции морфологические, если изменение затрагивает морфологи­ческие признаки, физиологические и биохимические. В послед­них двух случаях изменения касаются физиологических и био­химических процессов. Строго говоря, любые изменения мор­фологических признаков или функциональных особенностей происходят через изменения биохимических процессов (Котов, 1997). В большинстве случаев мутации снижают жизнеспособность мутировавшей клетки и организма. Такие мутации называются вредными. Крайним выражением действия вредных мутаций яв­ляется гибель мутанта. В таких случаях мутация называется ле­тальной. Мутации, не вызывающие заметных сдвигов в жизне­способности организмов, — нейтральные. Часть мутаций способ­ствует усилению жизнеспособности организмов. Это — биологически полезные мутации. Их нельзя отождествлять с хозяйственно полезными мутациями, вызывающими усиление признаков, ис­пользуемых человеком для удовлетворения своих нужд. Нередко улучшение "хозяйственного" признака сопровождается ослабле­нием конкурентной способности организма. Естественный от­бор такие мутанты элиминирует, а человек отбирает и разводит в культуре. Любая мутация может наследоваться, так как она возникает в наследственных структурах клеток (Алиханян, 1985). Характер наследования зави­сит от природы мутаций, хотя в основе лежат общие закономер­ности, связанные с их наследованием:

1) частота мутирования характерна для каждого локуса и за­висит от особенностей самого гена, генотипа, физиологического состояния организма и колебаний факторов среды. Например, разные гены кукурузы могут образовывать от 0 до 492 мутаций на 1 млн. гамет. Частота мутаций увеличивается при возрастании сроков хранения семян, а также при воздействии резких перепа­дов температур, ионизирующих излучений, в кислородной сре­де;

2 ) каждый ген может мутировать в прямом и обратном на­правлениях. Прямыми называются мутации гена из доминантно­го (дикого) состояния в рецессивное (А а), мутации из рецес­сивного состояния в доминантное называются обратными (а А). Каждый аллель может мутировать в новые состояния, образуя серию множественных аллелей (А, а', а², а³, а⁴ ...,). Для серии множественных генов характерна взаимопревращаемость членов серии друг в друга с различной частотой мутирования. В клетке одновременно могут быть представлены только два члена серии. Наследуются они как обычная диаллельная пара (по типу моно­гибридного скрещивания), поэтому в фенотипе проявляется при­знак, контролируемый доминантным аллелем в зависимости от характера доминирования (Алиханян, 1985). Если, например, серия состоит из пяти членов, находящихся по характеру доминирования в порядке А>a^l>a²>a^з>a⁴, то у вида можно встретить особи с генотипами АА, Аа', Аа², Аа³, Аа⁴, а'а², аа⁴, и т.д. Фенотипически признак, определяемый этой серией, может иметь пять выражений. По типу серии множественных аллелей наследуется самостерильность у растений;

3) мутации у различных видов образуют гомологические ряды наследственной изменчивости. Закон гомологических рядов на­следственной изменчивости сформулировал в 1922 году Н.И. Ва­вилов: "1.Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сход­ными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть на­хождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линнеоны, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. 2. Целые семейства рас­тений в общем характеризуются определенным циклом изменчивос­ти, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство".

Этому закону подчиняются как морфологические признаки, так и важнейшие физиологические свойства растений (зимо­стойкость, скороспелость, засухоустойчивость и др.), в том чис­ле и древесных. Например, у многих хвойных видов описаны узко- и ширококронные формы, крупно- и мелкошишечные формы устойчивые и не устойчивые к засухе, быстро- и медленнорастущие, обильно- и слабосеменосящие и др.;

4) в клетках с мутациями хромосом затрудняется конъюга­ция, что может привести к депрессии спорогенеза и стерильнос­ти мутанта. Крупные перестройки хромосом могут вызывать ги­бель клеток и организмов (Алиханян, 1985).

Для получения новых форм ивы могут использоваться химические мутагены, ультрафиолетовые лучи, ультразвук, радиация (Х-лучи, нейтроны, протоны, и альфа- , бета- , гамма-лучи). Однако опыты с ивами в этом плане незначительны. Первые опыты по получению мутантов ивы с помощью рентгеновских лучей проведены и описаны В.Н.Сукачевым. Однако дальнейшая судьба этих опытов в печати широко не освещалась (Царев, 2002).

Схема получения мутанта.

Ч еренки ивы белой 250 – 300шт рентгеновские лучи 48ч укореняем в почву размножаем подбираем ценные экземпляры мутант