CC BY
0УДК 631.52:581.13
Биоресурсные коллекции многолетних трав: мобилизация генетических ресурсов и
перспективы использования
Чернявских В.И., Думачева Е.В., Сайфутдинова Л.Д., Биюшкина А.В.
Федеральный научный центр кормопроизводства и агроэкологии им. В.Р. Вильямса, г. Лобня
МО, Россия cherniavskih@mail. ru
Аннотация. Целью исследований является изучение морфологических, физиологических, биохимических особенностей образцов коллекций видов родов шалфей и мордовник, выделение источников селекционно-ценных признаков и свойств с целью использования их в селекционной работе. В результате экспедиционных исследований, проведенных в овражно-балочных комплексах на территории мелового юга Среднерусской возвышенности, собран ценный материал дикорастущих видов Salvia nutans L., S. tesquicola L., Echinops ritro L., E. sphaerocephalus L. и созданы рабочие биоресурсные коллекции, в которых по комплексу селекционно-ценных признаков и свойств изучаются 80 селекционных образцов. В итоге трехлетней работы в качестве источников таких селекционно-ценных признаков, как число соцветий, длина соцветий, семенная продуктивность особей, высокая интенсивность ассимиляции СО2, общая декоративность выделены 6 образцов Salvia nutans и 4 образца S. tesquicola; по признакам высота стебля, количество листьев, масса семян на 1 особь - 2 образца Echinops ritro, и 3 образца E. sphaerocephalus.
Ключевые слова: мобилизация генетических ресурсов; селекция; дикорастущие виды; интенсивность фотосинтеза
Bioresource collections of perennial grasses: mobilization of genetic resources and
prospects for utilization
Cherniavskih V.I., Dumacheva E.V., Sajfutdinova L.D., Biyushkina A.V.
Federal Williams Research Center of Forage Production & Agroecology, Lobnya, Moscow region,
Russia cherniavskih@mail. ru
Summary. The aim of the research is to study morphological, physiological, biochemical features of the samples of Salvia and Echinops species collections, to identify sources of breeding-valuable traits and properties in order to use them in breeding work. As a result of expeditionary studies conducted in ravine and gully complexes in the Cretaceous south of the Central Russian Upland, valuable material of wild-growing species of Salvia nutans L.; S. tesquicola L., Echinops ritro L.; E. sphaerocephalus L. was collected and working bioresource collections were created, in which 80 selection samples were studied for a set of selection-valuable traits and properties. As a result of three years of work, 6 samples of S. nutans and 4 samples of S. tesquicola were identified as sources of such selection-valuable traits as the number of inflorescences, length of inflorescences, seed productivity of individuals, high intensity of CO2 assimilation, general decorativeness; according to the characteristics: stem height, number of leaves, seed weight per 1 individual - 2 samples of Echinops ritro, and 3 samples of E. sphaerocephalus.
Key words: mobilization of genetic resources; selection; wild species; photosynthesis intensity
Сохранение и приумножение растительных биологических ресурсов является глобальной задачей, стоящей перед человечеством сегодня. Вывод о том, что природные ресурсы нужно использовать более эффективно, казалось бы, лежащий на поверхности, долгие годы был замутнен лозунгами «переустройства природы», «победы над природой» т.д. Как результат - мировое сообщество в последнее десятилетие серьезно озаботилось проблемой сохранения растительных генетических ресурсов [1, 2]. Над ее решением, помимо ботанических садов, парков и заказников, работают научные учреждения, ведущие исследования в области изучения и создания новых сортов различных сельскохозяйственных культур.
Хорошо известно, что любая селекционная работа начинается с формирования биоресурсной рабочей коллекции, всестороннего изучения входящих в нее образцов, поиску среди них источников и доноров хозяйственно полезных признаков и свойств [3].
Ведущие ученые мира и России, работающие в области генетики и селекции культурных растений, прекрасно понимают, что без научно-исследовательской деятельности по мобилизации генетических ресурсов невозможно дальнейшее развитие практической селекции. Созданию каждой
такой коллекции предшествует кропотливая многолетняя работа по поиску и мобилизации генетических ресурсов в различных эколого-географических условиях, различных регионов не только на территории Российской Федерации, но и за ее пределами. Так создавались крупнейшие генетические биоресурсные коллекции ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова», Южно-Уральский ботанический сад-институт Уфимского федерального исследовательского центра РАН, ФНЦ «ВИК им В.Р. Вильямса» и ряда других научно-исследовательских учреждений страны. Работа над поддержанием, сохранением и расширением этих коллекций ведется научными учреждения и в настоящее время, ученые публикуют отчеты о своих экспедициях, анализируют морфологию, физиологию, генетику новых образцов, делая результаты своих исследований доступными для научного сообщества, и эта кропотливая работа также является важной составной частью функционирования селекционных рабочих коллекций.
Широко известная фраза академика Н.И. Вавилова о том, что «При выведении сортов, при отборе приходится иметь дело не только с изменчивостью и наследственностью. «Отбор» включает в сове содержание и проблему исходного материала, и необходимость учета физиологических, биохимических и других сортовых отличий и сложный процесс выделения и создания необходимых форм», не утратила своей актуальности спустя десятилетия [4, C. 9].
Следует отметить, наблюдаемое в последние годы расширение спектра изучаемых культур, вовлечение в круг научных интересов большого количества новых дикорастущих видов, работу по их доместикации, интродукции, а также включению в перечень сельскохозяйственных культур допущенных к использованию на территории Российской Федерации. В частности, большая работа проведена учеными НИУ «БелГУ» по введению в культуру вида крапива двудомная (Urtica dioica L.), а также по созданию первого в стране сорта этой ценной лекарственной культуры, который был назван Авиценна [5].
Регион проведения авторских исследований по изучению биологических ресурсов и вовлечению их в селекционную работу - меловой юг Среднерусской возвышенности - уникален по своим климатическим и почвенным условиям. В силу масштабных геологических и климатических эволюционных процессов, которые проходили на данной территории в доледниковые, ледниковые, послеледниковые периоды, территория на протяжении десятилетий вызывала пристальный интерес выдающихся ботаников, экологов, селекционеров. Здесь сформировались уникальные условия для сохранения эндемичной растительности, прохождения интрогрессивной гибридизации в рефугиумах, которыми, по сути, являются урочища и балки, повсеместно изрезавшие поверхность южного макросклона Русской равнины [2].
В продолжение работы по мобилизации биологических ресурсов и введению в культуру новых видов, обладающих ценными не только для аграрного производства, но и для других сфер деятельности, свойствами, продолжается проведение исследований со многими видами семейств Fabaceae, Lamiaceae, Asteraceae, Poaceae и другими. В результате вовлечения в селекционный процесс дикорастущих образцов, включение их в гибридизацию, систему поликроссов, экологических испытаний, нами созданы более 25 сортов многолетних и однолетних трав разнообразного направления использования: кормового, газонного, медоносного, декоративного и т.д.
В последние годы наш интерес направлен на изучение дикорастущих видов рода Salvia - шалфея поникающего (S. nutans L.) и ш. остепненного (S. tesquicola L.), а также видов рода Echinops -мордовника обыкновенного (E. ritro L.) и м. шароголового (E. sphaerocephalus L.). Все эти виды имею высокие декоративные свойства, что делает их востребованными в зеленом строительстве, а их вегетативные и генеративные части содержат ряд биологических веществ, обладающих противовоспалительными, антимикробными и антивирусными свойствами. В той или иной степени виды шалфея и мордовника уже нашли свое применение в парфюмерной, фармацевтической, пищевой, комбикормовой промышленности [6, 7]. Однако широкое использование этих дикорастущих видов в качестве исходного сырья для производства затруднено в силу ограниченной доступности и невозможности использования природных биологических запасов сырья без нанесения непоправимого ущерба ресурсам территорий. Ограничения, накладываемые законодательством по изъятию из природы больших объемов фитомассы того или иного вида, строго регламентируются на законодательном уровне. Именно поэтому единственным способом вовлечения ценных биологических ресурсов дикорастущих видов в жизнедеятельность человека, является селекционная работа с ними, разработка методик отличимости, однородности, стабильности и введение новых видов в список культур, разрешенных к выращиванию на территории Российской Федерации [5, 8].
Целью исследований является изучение морфологических, физиологических, биохимических особенностей образцов коллекций видов шалфеев и мордовников, выделение источников селекционно-ценных признаков и свойств с целью использования их в селекционной работе.
Методы исследования. В результате сотрудничества ученых НИУ «Бел ГУ» и ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса», проведенных геоботанических экспедиций по сбору форм образцов 2020-2023 гг. сформированы рабочие коллекции селекционных форм и образцов видов рода шалфей (S. nutans, S. tesquicola) и видов рода мордовник (E. ritro, E. sphaerocephalus). Работы по формированию коллекций проведены общепринятыми методами геоботаники, фитоценологии, биологических ресурсов [9]. Изучение и сбор материала видов S. nutans, S. tesquicola, E. ritro, E. sphaerocephalus проведен в естественных фитоценозах на модельных площадках, заложенных в пределах ландшафтов и овражно-балочных комплексов с выходами писчего мела на поверхность на территории Белгородской области.
Методологической основой проводимой научной работы является обоснованная авторами теория формирования вторичного антропогенного микрогенцентра синантропных видов растительности на территории мелового юга Среднерусской возвышенности [2]. Рабочие селекционные коллекции заложены стандартными методами без повторностей. Ведутся фенологические наблюдения: отмечаются наступление основных фаз онтогенеза. На 30 растениях (или частях 30 растений) каждого селекционного образца каждой рабочей коллекции проводятся морфологические наблюдения (измерение и оценка вегетативных и генеративных частей), физиологические наблюдения (определение интенсивности фотосинтеза в период начала цветения с использованием портативного газоанализатора LI-COR 6800) по методикам. Результаты исследований обработаны математически [10].
Результаты и дискуссия. В четырех рабочих коллекциях всего изучается 80 селекционных образцов (табл. 1). Для каждой рабочей коллекции формируется дескриптор, содержащий всю информацию по каждому селекционному образцу: дату и место отбора, географические координаты места отбора, основные морфологические характеристики образца, площадь ценопопуляции, экземплярная насыщенность, виды-доминанты фитоценоза и т.д.
Таблица 1
Общая характеристика рабочей коллекции _
Название семейства Название вида Количество образцов
Lamiaceae Lindl. - Яснотковые (Губоцветные) Salvia nutans L. - шалфей поникающий 20
Salvia tesquicola L. - шалфей остепненный (сухостепной) 20
Asteracea L. -Астровые (Сложноцветные) Echinops ritro L. -мордовник обыкновенный 20
Echinops sphaerocephalus L. - мордовник шароголовый 20
Коллекции шалфеев поникающего (S. nutans) и остепненного (S. tesquicola) собраны из образцов, отобранных в пяти районах Белгородской области (Алексеевском, Губкинском, Белгородском, Волоконовском, Вейделевском) по следующим признакам: интенсивность окраски соцветий, их длина и декоративность, общая декоративность особей и их семенная продуктивность.
Изучение образцов коллекции показывает достаточно высокую степень изменчивости отдельных морфо-биологических признаков, что является ценным показателем для селекционной работы (табл. 2).
Таблица 2
Средняя величина проявления отдельные морфологических признаков у селекционных _образцов в рабочих коллекциях видов шалфеев_
№ Признак S. nutans S. tesquicola
Пределы Коэффициент Пределы Коэффициент вариации (Cv), %
варьирования вариации варьирования
min max (Cv), % min max
1 Высота
генеративных побегов, см 36,1±1,5 74,5±3,7 23,6 34,2±3,2 61,9±5,2 15,8
2 Длина соцветий, см 8,2±1,8 31,2±4,9 35,8 10,7±3,1 27,6±3,8 36,7
3 Число листьев, шт. 4,5±1,3 7,6±3,2 13,7 10,4±2,1 21,9±4,1 21,5
4 Кол-во цветков в мутовке, шт. 3,0±1,5 4,8±1,9 10,87 3,4±1,9 4,4±1,8 5,67
Выделены селекционные номера S. nutans, семенная продуктивность которых достоверно превышала величину стандартного отклонения и изменялась в пределах от 36,7±1,8 г/м2 до 41,8±2,4 г/м2 при уровне Cv соответственно 72,4 и 89,2 %. Высокую декоративность в пределах 80-100 баллов имели 6 образцов. Оценка ранговой корреляции Спирмена показала высокую степень связи между массой семян на один стебель и семенной продуктивностью образцов rs=0,946. Изучение показателей фотосинтеза показала, что при ФАР 400 цМ/ м2 с скорость ассимиляции углекислого газа у селекционных образцов S. nutans изменяется от 8,25-15,15 цМ СО2/ м2 с. В коллекции S. tesquicola выделены селекционные номера, семенная продуктивность которых достоверно превышала величину стандартного отклонения и изменялась в пределах от 48,39±2,1 г/м2 до 52,31±2,6 г/м2 при уровне Cv соответственно 84,3 и 99,6%. Высокую декоративность в пределах 80-100 баллов имели 4 образца. Оценка ранговой корреляции Спирмена показала высокую степень связи между массой семян на один стебель и семенной продуктивностью образцов rs=0,908. Изучение интенсивности фотосинтеза показала, что при ФАР 400 цМ/ м2 с изменяются от 9,18-19,60 цМ СО2/ м2 с.
Образцы для коллекций мордовников обыкновенного (E. ritro) и шароголового (E. sphaerocephalus) собраны в Алексеевском районе Белгородской области. Отбор вели по следующим признакам: высота растений диаметр соцветий, количество соцветий на одну особь, декоративность особей и их семенная продуктивность. Средняя величина отдельных морфологических признаков, пределы их варьирования и коэффициента вариации приведены в табл. 3.
Таблица 3
Средняя величина проявления отдельные морфологических признаков у селекционных _ образцов в рабочих коллекциях видов мордовников_
№ Признак E. ritro E. sphaerocephalus
Пределы варьирования Коэффици ент вариации (Cv), % Пределы варьирования Коэффициент вариации (Cv), %
min max min max
1 Высота генеративны х побегов, см 34,4±3,1 89,2±7,4 42,8 38,0±2,5 79,7±3,8 22,6
2 Количество соцветий, шт. 3,4±2,7 115,2±11,1 51,81 18,3±2.1 111,5±9,4 41,5
3 Число листьев, шт. 2,5±0,8 12,9±2,1 40,4 2,4±1,1 15,6±3,2 44,8
4 Диаметр соцветий, шт. 1,4±0,9 8,1±1,4 38,2 2,00±0,9 11,00±2.1 42,3
Выделены селекционные номера Е. Шго, семенная продуктивность которых достоверно превышала величину стандартного отклонения и изменялась в пределах от 8,35±1,48 г/ 1 особь до 11,69±3,22 г/ 1 особь при уровне Су соответственно 56,4 и 68,2 %. Высокую декоративность в пределах 80-100 баллов имели 3 образца.
Выделены селекционные номера Е. sphaerocephalus, семенная продуктивность которых достоверно превышала величину стандартного отклонения и изменялась в пределах от 22,6±4,8 г/особь до 34,7±2,3 г/ 1 особь при уровне Су соответственно 48,6 и 62,14 %. Высокую декоративность в пределах 80-100 баллов имели 5 образцов.
Заключение. Работы по мобилизации генетических ресурсов дикорастущих видов с целью их введения в культуру и селекционной работы перспективны. Создание рабочих коллекций для селекционной работы позволяет проводить целенаправленные исследования по оценке морфо-
биологических и физиологических признаков и свойств дикорастущих видов и выделять источники ценных признаков и свойств.
В результате изучения рабочей коллекции видов шалфеев и мордовников выделены 6 образцов S. nutans и 4 образца S. tesquicola, которые могут служить источниками таких ценных селекционных признаков, как число соцветий, длина соцветий, семенная продуктивность особей, общая декоративность, высокая интенсивность ассимиляции СО2, а также 2 образца E. ritro, и 3 образца E. sphaerocephalus, которые могут служить источниками признаков: высота стебля, количество листьев, масса семян на 1 особь.
Исследование выполнено при поддержке Нацпроекта «Наука и университеты» на создание молодежной лаборатории в рамках Госзадания FGGW-2022-0013 «Разработка теоретических основ ускорения интродукции, селекции и повышения эффективности семеноводства сельскохозяйственных растений на основе оценки сопряженности фундаментальных физиологических процессов».
Список литературы:
1. Хлесткина Е. К. Современные исследования генетических ресурсов растений: в развитие научных школ и научных направлений, основанных при Н.И. Вавилове // Экологическая генетика. 2022. Т. 20. № 3. С. 169-173.
2. Cherniavskih V. I., Dumacheva E. V., Lisetsky F. N., Batlutskaya I. V., Tsugkieva V. B. Impact of endemic calciphilous flora of the Central Russian Upland on the nitrogen regime of carbonate soils and subsoils // Bioscience Biotechnology Research Communications. 2019. Vol. 12. № 3. P. 594-600.
3. Думачева Е. В., Чернявских В. И., Польшина А. А., Комарова М. Е. Использование биоресурсного потенциала ботанического сада для разработки экскурсионных программ // Научный результат. Серия: Технология бизнеса и сервиса. 2014. Т. 1. № 1(1). С. 4-14.
4. Вавилов Н.И. Селекция как наука. М.; Л.: Сельхозгиз, 1934. 16 с.
5. Kosolapov V. M., Cherniavskih V. I., Dumacheva E. V., Dumachev D.V., Zarudny V.A., Mazur K., Konieczna A., Tseiko L. Observations on the Productivity of Breeding Specimens of Urtica dioica L. from European Russian Ecotopes in Comparison with the Breeding Variety under Field Crop Conditions // Agronomy. 2022. Vol. 12. № 1. DOI 10.3390/agronomy12010076
6. Борщев И. Б. Главное достоинство мордовника шароголового // Пчеловодство. 2017. № 1. С. 27-29.
7. Ражабова Г. Х. Мордовник как лечебное средство // Биология и интегративная медицина. 2017. № 5. С. 126-131.
8. Романенко Н. В., Чернявских В. И., Думачева Е. В. Изучение видов Salvia tesquicola Klok. et Pobed. и Salvia nutans L. в коллекционном питомник // Естественные и технические науки. 2022. № 12. С.289-294.
9. Ткаченко К. Г. Комплементарные методы изучения ресурсных видов растений в полевых и стационарных условиях // Полевой журнал биолога. 2021. Т. 3. № 1. С. 74-86.
10. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта: (С основами статистической обработки результатов исследований). М.: Книга по Требованию, 2012. 352 с.
