CC BY
167
© Е.В. Малаева, Н.А. Супрун, О.И. Коротков, О.О. Короткова, 2008
УДК 581.9(470.45) ББК 28.5(2Рос-4Вог)
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ БАНК РЕДКИХ И ЦЕННЫХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ ВОЛГОГРАДСКОГО РЕГИОНАЛЬНОГО БОТАНИЧЕСКОГО САДА
Е.В. Малаева, Н.А. Супрун, О.И. Коротков, О.О. Короткова
Статья посвящена актуальной проблеме сохранения генофонда редких и ценных видов растений в России. Целью проведенных авторами исследований стала оптимизация технологий клонального микроразмножения редких видов растений, занесенных в Красные книги Российской Федерации и Волгоградской области, а также создание банка стерильных культур как перспективного направления сохранения биоразнообразия растений.
Ключевые слова: Волгоградский региональный ботанический сад, генетический банк, редкие растения, ценные растения, биологическое разнообразие, интродуцированные растения.
Создание, поддержание и пополнение коллекций дикорастущих и культурных растений является наиболее эффективным путем сохранения и рационального использования их биологического разнообразия.
Эффективность сохранения генофонда растений ex situ может быть резко повышена путем создания генетических банков. По классификации Международного центра генетических ресурсов (IPGRI) различают следующие их виды: генетические банки семян; банки растительного материала, сохраняемого in vitro (культуры меристем, тканей сеянцев в условиях замедленного роста); полевые генные банки (специальные, обычно клоновые посадки плодовых и лесных пород, корневых и клубневых культур) [12].
Наиболее доступный и дешевый способ сохранения генетических ресурсов растений -семенные банки для долговременного хранения семян растений при низких положительных температурах (+5 °С) и неглубоком замораживании (до -20°С... -25°С). Семенной банк природной флоры включает более 150 видов растений, из них 3 8 видов занесены в региональную Красную книгу [7].
Сложность вегетативного размножения для многих редких видов растений делает особенно актуальным изучение их семенного возобновления [8]. Поэтому большое внимание уделяется семенному размножению редких видов. Семена высеваются в открытый грунт под зиму (естественная стратификация), в закрытый грунт с предварительной стратификацией и без нее. Слабую всхожесть показывают менее 10 % редких видов (Iris aphylla, Lepidium meyeri); средняя всхожесть отмечается у Delphinium puniceum, Genista tanaitica, Hedysarum cretaceus, Tulipa gesneriana. Более хорошие результаты по всхожести (более 50 %) у таких видов, как Artemisia hololeuca, Allium regelianum, Hedysarum grandiflorum, Hyssopus cretaceous, Matthiola fragrans, Zingeria biebersteiniana.
Интродукционное изучение биологических особенностей редких видов позволяет выявить причины редкости и обосновать возможности их сохранения в естественных условиях, а размножение - дать необходимый для восстановления природных популяций семенной и посадочный материал. Работы по интродукции редких и исчезающих видов во многих ботанических садах показали эффективность этого метода.
Интродукция редких и исчезающих растений природной флоры Волгоградской обла-
сти ведется в региональном ботаническом саду в течение последних 3 лет. Исходный материал в виде семян и живых растений мобилизуется в естественных условиях местообитания редких видов на территории Волгоградской области.
По состоянию на 2008 г. в коллекции растений природной флоры открытого грунта насчитывается более 200 видов, из них 47 видов занесены в Красную книгу Волгоградской области (это составляет 23,9 % от общего списка), в том числе 37 видов занесены в Красную книгу Российской Федерации (2005) [11]. В рассматриваемой коллекции растений природной флоры регионального ботанического сада на небольшой площади собраны наиболее типичные виды степных, луговых, меловых, водных и околоводных местообитаний. Наиболее широко представлены виды семейства Asteraceae (12 видов), Fabaceae (10 видов), Ranunculaceae (8 видов), Liliaceae (6 видов).
По категориям редкости интродуценты из Красной книги Волгоградской области распределены следующим образом: категорию 1 (находящиеся под угрозой исчезновения) имеют 3 вида; категорию 2 (сокращающиеся в численности виды) - 15 видов; категорию 3 (редкие виды) - 26 видов; категорию 4 (вид с неопределенным статусом) - 1.
В ботанических садах России культивируются более 250 нуждающихся в охране видов растений [11]. Некоторые из редких видов в региональном ботаническом саду вводятся в культуру впервые: Jurinea cretacea, Silene hellmannii, Eriosynaphe longifolia, Iris aphylla, Zingeria biebersteiniana, Marsilea strigosa, Aldrovanda vesiculosa.
Оценка успешности интродукции и перспективности видов в культуре проводится по методике Н.В. Трулевич [13]: I- неустойчивые, II - слабоустойчивые, III - устойчивые, IV - высокоустойчивые виды.
По результатам интродукции 70 % инт-родуцированных растений устойчивы в культуре. При переносе в культуру у всех интро-дуцентов сохранились естественные последовательность и время зацветания. На основании изучения особенностей биологии редких видов в условиях ботанического сада установлена их различная реакция на условия куль-
туры, которая зависит в основном от экологии и причин редкости вида. Такие виды, как Lepidium meyeri и Silene cretaceae, не способны к естественному размножению и погибают в большинстве случаев. Эти виды отрицательно реагируют на перенос в культуру. Другие редкие виды (Artemisia hololeuca, A. salsoloides, Fritillaria ruthenicа,
Hedysarum grandiflorum, Hyssopus
cretaceus, Iris pumila и др.) успешно растут и развиваются. Основная часть видов коллекции регулярно цветет и плодоносит, дает семена с хорошей всхожестью. Регулярно дают самосев Hedysarum grandiflorum, Stippa pennata. Вегетативное расселение свойственно 8 видам, из них активно размножаются вегетативным путем Allium regelianum, Iris pumila, I. scariosa.
Большинство видов коллекции положительно отзываются на условия культуры и по степени развития превосходят растения природных местообитаний, проявляя потенциальные возможности вегетативной и генеративной сфер.
Также признается необходимость разработки биотехнологических методов сохранения биоразнообразия мировой флоры, однако эти методы считаются более дорогостоящими из-за необходимых капитальных затрат на строительство лабораторий.
Тем не менее подобные банки созданы не только в развитых странах, но и на территории бывшего СССР. Так, например, крупнейший Прибалтийский банк in vitro находится в Латвии и содержит 350 форм и сортов 40 видов растений. Генетический банк представителей мировой флоры ex situ, включающий коллекцию семян и коллекцию клеточных культур in vitro, создан в Институте клеточной биологии и генетической инженерии НАН Украины. Создан и постоянно пополняется банк стерильных культур, содержащий более 600 наименований 85 видов из 32 семейств в ГБС РАН в Москве. Однако растения, занесенные в Красную книгу Российской Федерации, представлены в нем пока недостаточно - 47 видами.
Подобный банк, насчитывающий более 250 наименований (34 вида из 24 семейств), существует в ГУ «Волгоградский региональный ботанический сад».
Использование системы in vitro имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами поддержания коллекций растений. Среди них - экономия площадей и затрат труда, независимость от климатических условий, возможность использования минимального количества эксплантов для получения стерильных культур без нарушения природных популяций, репродукция материала, трудно размножаемого традиционными методами, и возможность его длительного хранения в асептических условиях. Многие авторы указывают на важнейшее значение этого метода как дополнительного варианта для сохранения видов ex situ, выступающего в качестве их страхового фонда (см. об этом: [1; 4; 5] и др.).
Методика исследований основана на общепринятых классических приемах работы с культурами изолированных тканей и органов растений [2].
Основной метод, использованный авторами статьи при размножении большинства таксонов in vitro, - это активация уже существующих в растениях пазушных меристем. По мнению большинства исследователей, он считается наиболее надежным с точки зрения генетической стабильности размножаемых форм (см., напр.: [2; 4; 5]). Эта модель, основанная на снятии апикального доминирования, положена в основу промышленного размножения большинства видов растений [10].
Было установлено, что особенности клонального микроразмножения, а также выбор оптимального приема культивирования тесно связаны с особенностями биологии и размножения вида в природе. Среди факторов, оказывающих наибольшее влияние на морфогенетические процессы в культуре тканей и органов, в первую очередь необходимо выделить таксономическую принадлежность, генетические особенности растений-регенерантов, физиологическое состояние маточных растений, инициального экспланта, состав питательной среды, условия культивирования [3].
Введение в культуру in vitro редких растений Волгоградским региональным ботаническим садом началось совсем недавно, и в современных условиях коллекция представлена 17 видами растений, занесенных в Крас-
ную книгу РФ, и одним видом, включенным в Красную книгу Волгоградской области (см. табл. 1).
Целью проведенных авторами исследований является оптимизация технологий клонального микроразмножения редких видов растений, занесенных в Красные книги Российской Федерации и Волгоградской области, а также создание банка стерильных культур.
Что касается принципов отбора растений, занесенных в Красную книгу РФ и включенных в Красную книгу Волгоградской области для культивирования in vitro, их три:
- выбор высокодекоративных растений;
- выбор растений с низкой эффективностью размножения традиционными методами;
- введение в культуру видов с категорией статуса редкости 1 и 2 (на этапе отработки технологий размножения в качестве растительного материала мы использовали виды со статусом 2 и 3).
При введении в культуру материал собирался в экспедиционных выездах в места естественного произрастания. В качестве эксплан-тов были использованы как апикальные и латеральные меристемы, так и сегменты стерильных проростков, выращенных из семян.
Коллекционный фонд рода Clematis L. в Волгоградском региональном ботаническом саду представлен 38 видами, 3 видами рода Atragene и 246 сортами отечественной и зарубежной селекции, принадлежащими к 14 сортовым группам по международной садовой классификации. Из них в банк асептических культур введено более 100 генотипов, и создан банк ДНК клематисов, представленный 90 образцами.
Также создана коллекция видов, сорто-образцов и дикорастущих форм актинидии (около 30 наименований) in vitro и создан банк ДНК (47 наименований), подкрепленных гер-барными образцами.
Актинидия - дальневосточный эндем, обладающий вкусовыми и целебными достоинствами. Она является ценным источником витаминов, кахетинов, пектинов, дубильных и красящих веществ, флавоноидов, алкалоидов и множества других соединений. По своему лечебному спектру эта культура способна вытеснить многие медицинские препараты химического синтеза.
Таблица 1
Виды редких растений, введенные в культуру в условиях лаборатории биотехнологии ГУ «Волгоградский региональный ботанический сад»
Представитель Категория редкости
Allium regelianum A. Beck. КК РФ * - 2
Artemisia hololeuca Bieb. ex Bess. КК РФ - 2
Artemisia salsoloides Willd. КК РФ - 3
Astragalus dasyanthus Pall. КК ВО - 3
Bellevalia sarmatica (Georgi) Woronow КК РФ - 2
Bulbocodium versicolor (Ker-Gawl.) Spreng. КК РФ - 2
Calophaca wolgarica (L. fil.) DC. КК РФ - 2
Hedysarum cretaceum Fisch. КК РФ - 3
Hedysarum grandiflorum Pall. КК РФ - 3
Genista tanaitica P. Smirn. КК РФ - 3
Lepidium meyeri Claus. КК РФ - 2
Matthiolafragrans Bunge. КК РФ - 3
Nelumbo nucifera Gaertn. КК РФ - 3
Silene cretacea Fisch. Ex Spreng. КК РФ - 3
Tulipa gesneriana L. КК РФ - 2
Zingeria biebersteiniana (Claus) P.A. Smirn. КК РФ - 2
* В таблице использованы следующие сокращения: КК РФ - Красная книга Российской Федерации - перечень по состоянию на 2005 г.; КК ВО - Красная книга Волгоградской области - перечень по состоянию на 2004 год.
Бесконтрольные вырубки лесов в Приморском крае становятся угрозой уничтожения актинидии в естественных условиях. Использование современных методов биотехнологии позволит сохранить генофонд этой культуры и размножить в короткие сроки перспективные формы и сорта.
Из 40 видов актинидии наибольшее распространение в России получили растения самых зимостойких видов Actinidia kolomikta (Rupr. Et Maxim.) Maxim., A. arguta Planch., A. polygama (Sieb. Et Zucc.) Maxim. и A. giraldii Diels (см.: [6]).
Использование молекулярно-генетических методов крайне актуально для решения проблем, связанных с контролем генетической стабильности хранящихся образцов при создании банков in vitro. ДНК-маркеры обладают существенными преимуществами по сравнению с морфологическими маркерами: они позволяют выявлять полиморфизм в любом участке генома, дают возможность вести анализ по неограниченному числу локусов
[9; 14]. Для подтверждения генетической идентичности растений, культивируемых в условиях in vitro (микроклонов), с исходными растениями авторами были использованы молекулярные методы.
Интерес к применению методов культуры изолированных тканей для сохранения генофонда редких и ценных видов растений все более возрастает. В настоящее время создание банков стерильных культур является одним из перспективных направлений сохранения биоразнообразия растений. Они служат источником сохранения природного и культурного наследия и могут быть использованы для обмена между ботаническими учреждениями разных стран. Создание коллекций in vitro можно рассматривать как одну из форм охраны растений природной флоры и как эффективный метод сохранения их биоразнообразия ex situ как составной части общей национальной стратегии охраны растений, направленной на сохранение видов в природе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белокурова, В. Б. Использование методов биотехнологии растений для сохранения и изучения биоразнообразия мировой флоры / В. Б. Белокурова, Е. В. Листван, П. Д. Майстров [и др.] // Цитология и генетика. - 2005. - J№ 1. - С. 41-51.
2. Бутенко, Р. Г Биология клеток высших растений in vitro и биотехнология на их основе / Р Г. Бутенко. - М. : ФБК-ПРЕСС, 1999. - 160 с.
3. Виноградова, Ю. К. Разработка принципов сохранения и воспроизводства генетических фиторесурсов / Ю. К. Виноградова, Ю. Н. Горбунов, А. И. Макридин [и др.] // Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами. -М. : Т-во науч. изд. КМК, 2005. - С. 343-350.
4. Высоцкий, В. А. Биотехнологические методы в системе производства оздоровленного посадочного материала плодово-ягодных культур : автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук / В. А. Высоцкий ; Всерос. селекц.-технол. ин-т садоводства и питом-ниководства. - М., 1998. - 44 с.
5. Камелин, Р. В. Биотехнологическое разнообразие и интродукция растений / Р. В. Каме-лин // Растительные ресурсы. - 1997. - Т. 33, вып. 3. - С. 1-11.
6. Колбасина, Э. И. Актинидии и лимонник в России / Э. И. Колбасина. - М. : Ниола 21 век, 2000. - 176 с.
7. Красная книга Волгоградской области. Растения и грибы. - Волгоград, 2006. - 236 с.
8. Луконина, А. В. Сохранение редких видов растений флоры Нижнего Поволжья в ботанических садах г. Волгограда / А. В. Луконина, Г. Ю. Клин-
кова, Н. А. Супрун // Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Мониторинг редких видов - важнейший элемент государственной системы экологического мониторинга и охраны биоразнообразия», г. Волгоград, 6-7 дек. 2005 г. - Волгоград, 2005. - С. 94-98.
9. Малышев, С. В. Молекулярные маркеры в генетическом картировании растений / С. В. Малышев, Н. А. Картель // Молекулярная биология. -1997. - Т. 31, №> 2. - С. 197-208.
10. Молканова, О. И. Использование биотехнологических методов для размножения и сохранения редких и ценных видов растений / О. И. Мол-канова, Т. С. Стахеева, О. Г. Васильева [и др.] // Ботанические сады как центры сохранения биоразнообразия и рационального использования растительных ресурсов : материалы Междунар. науч. конф., посвящ. 60-летию Гл. ботан. сада им. Н.В. Цицина РАН. - М. : Объед. науч.-техн. изд-во Пущин. НЦ РАН, 2005. - С. 354-356.
11. Растения Красной книги России в коллекции ботанических садов и дендрариев. - М., 2005. - 144 с.
12. Стратегия ботанических садов России по сохранению биоразнообразия растений. - М., 2003. - 32 с.
13. Трулевич, Н. В. Эколого-фитоценотичес-кие основы интродукции растений / Н. В. Трулевич. - М.: Наука, 1991. - 215 с.
14. Saliba-Colombani, V. Efficiency of RFLP, RAPD and AFLP Markers for the Construction of an Intraspecific Map of the Tomato Genome / V. Saliba-Colombani, M. Causse, L. Gervais, J. Philouze // Genome. - 2000. - Vol. 43. - P 29-40.
GENETICS BANK OF RARE AND VALUABLE PLANT SPECIES OF VOLGOGRAD REGIONAL BOTANIC GARDEN
E.V Malaeva, N.A. Suprun, O.I. Korotkov, O.O. Korotkova
The article is devoted to the problem of genetic conservation of rare and valuable plant species in Russia. The researches aim has become optimization technology of clonal microreproduction of rare plant species that were included to the Red Book of Russia and Volgograd oblast, and also creation the bank of sterile cultures as a perspective direction of biological diversity plants preservation.
Key words: Volgograd Regional Botanic Garden, genetics bank, rare plant species, valuable plant species, biological diversity, introduced plants.
