CC BY
3УДК 582.632.1+630*81:[581.81:581.165.73]
С. В. Пантелеев1, Л. В. Ветчинникова2, А. Ф. Титов3, П. С. Кирьянов1, О. Ю. Баранов4
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДРЕВЕСИНЫ И КОРЫ РАЗНЫХ ВИДОВ БЕРЕЗЫ, ПОЛУЧЕННЫХ В ХОДЕ КОПУЛИРОВОЧНЫХ ПРИВИВОК И ТРАНСПЛАНТАЦИИ КАМБИЙСОДЕРЖАЩИХ УЧАСТКОВ КОРЫ
Тосударственное научное учреждение «Институт леса Национальной академии наук Беларуси» Республика Беларусь, 246050, г. Гомель, ул. Пролетарская, 71 e-mail: [email protected]
2Институт леса — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Карельский научный центр
Российской академии наук» Российская Федерация, 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11 3Институт биологии — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Карельский научный центр
Российской академии наук» Российская Федерация, 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11
4Национальная академия наук Беларуси Республика Беларусь, 220072, г. Минск, пр-т Независимости, 66
Проведен микросателлитный анализ фрагментов тканей ствола разных видов березы, полученных в результате прививки (путем копулировки) или одной из ее разновидностей — локальной трансплантации коры (фрагментом или кольцом в виде пояса). В качестве привоя (донора) использованы ткани коры карельской березы Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) Hamet-Ahti, узорчатая текстура которой хорошо контрастирует с обычной (прямоволокнистой) древесиной подвоя (реципиента) — березы повислой Betula pendula Roth и березы пушистой Betula pubescens Ehrh. Установлено отсутствие заметных изменений в древесине подвоя и привоя. В случаях локальной трансплантации тканей коры вновь образуемая древесина также является производной донора и не содержит наследственного материала реципиента (генетический химеризм отсутствует), за исключением зоны срастания генетически разнородных тканей, где формирование раневой поверхности осуществляется за счет латеральной меристемы обоих компонентов. Вместе с тем обнаружено, что уровень аберрантных клеток в таких местах выше при кольцевой трансплантации коры, когда полностью «перерезаются» все нисходящие и восходящие транспортные пути вдоль оси ствола реципиента по его окружности. Сделан вывод, что после выполнения прививки (или локальной трансплантации тканей) привой (донор) и подвой (реципиент) сохраняют не только присущие им фенотипические, но и генотипические особенности, четко различаясь по спектрам выявленных аллельных вариантов, что выступает еще одним важным аргументом в пользу точки зрения о том, что узорчатая текстура древесины карельской березы является генетически детерминированным признаком.
Ключевые слова: SSR-маркеры, карельская береза, Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) Hamet-Ahti, береза повислая, Betula pendula Roth, береза пушистая, Betula pubescens Ehrh., прививка, трансплантация тканей, узорчатая древесина, генотипы.
Для цитирования: Молекулярно-генетическая оценка древесины и коры разных видов березы, полученных в ходе копулировочных прививок и трансплантации камбийсодержащих участков коры / С. В. Пантелеев, Л. В. Ветчинникова, А. Ф. Титов [и др.] // Молекулярная и прикладная генетика: сб. науч. тр. / Ин-т генетики и цитологии НАН Беларуси; редкол.: А. В. Кильчевский (гл. ред.) [и др.]. - Минск, 2024. - Т. 37. - С. 15-25.
Введение
Текстура и окраска древесины являются основными характеристиками, определяющими ее декоративные особенности. Особую ценность представляют редкие варианты, аналоги которых обычно не встречаются у других древесных пород или являются атипичными для конкретного вида растения. Среди них наиболее широкую известность получила карельская береза (Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) Hamet-Ahti), обладающая узорчатой древесиной, по структуре и характеру рисунка напоминающая мрамор. Формирование текстуры данного типа некоторыми авторами рассматривается как следствие проявления структурной аномалии, обозначаемой как «stem pitting» или ямчатость поверхности ствола [1]. В этом случае наблюдаемые изменения в ксилогенезе, как правило, связаны с особенностями пространственной ориентации клеточных делений — преобладанием поперечного и антиклинального типов вместо периклинального, доминирующего при образовании обычной прямослойной древесины. Такого рода ямчатость (хорошо видна после снятия коры) встречается у многих древесных растений (яблоня, виноград, ольха, клен, граб и др.) и представляет собой широко распространенное заболевание, причиной которого могут быть вирусы или другие факторы [1, 2].
В отличие от этого, эксперименты по прививке с использованием карельской березы в качестве привоя не выявили каких-либо дальнейших изменений в древесине у подвоя (березы повислой), что, очевидно, свидетельствует о неинфекционной природе формирования узорчатой текстуры [3]. Хотя утверждение о неинфекционном характере формирования уникальной древесины у карельской березы, строго говоря, не может считаться окончательным, поскольку постоянное развитие методов фитопатологической диагностики демонстрирует все новые механизмы формирования аномалий при ксилогенезе, вызванные паразитическими грибами, бактериями, вирусами и вирусоподобными частицами [4].
В одной из монографий приведено описание эффектов воздействия экзогенных факторов физической и химической природы на растения, вызывающих образование сходных симптомов или усиливающих проявление при-
знаков узорчатости древесины у березы [1]. В другой монографии описаны популяцион-но-видовые особенности карельской березы [5]. Так, одним из неотъемлемых факторов, способствующих образованию декоративной текстуры, является освещение. Приводятся примеры поперечных спилов древесины ствола, где узорчатый рисунок более выражен с освещенной стороны дерева. Отмечено, что в условиях затененности узорчатые растения не выдерживают конкуренцию с другими, более быстрорастущими лиственными породами и могут не только терять способность к формированию узорчатой древесины и переходить к формированию свойственной для большинства видов березы прямоволокнистой структуры проводящих путей, но и терять возможность к дальнейшему росту, что приводит к их гибели [6]. Это также подтверждает важную роль светового фактора в регуляции развития элементов древесины.
Несмотря на существование разных взглядов, наследственная основа на сегодняшний день рассматривается как наиболее вероятный фактор формирования высоко декоративной узорчатой текстуры древесины у карельской березы. Подтверждением этому является сохранение данного признака при вегетативном размножении (включая клональное микроразмножение), а также выявление узорчатых фенотипов в семенном потомстве карельской березы (преобладающих при контролируемом опылении). В то же время молекулярно-гене-тические механизмы формирования узорчатой древесины, равно как и характер наследования данного признака, до настоящего момента остаются невыясненными. По мнению большинства исследователей, работавших с карельской березой в разные годы, узорчатый тип древесины, как и другие ее уникальные признаки (разнообразие форм роста, полиморфизм по типу поверхности ствола и др.), генетически детерминированы, но степень их проявления зависит от воздействия ряда факторов, чаще внешних [3, 5, 7-9]. На это, в частности, указывает рассмотренное выше влияние освещения на степень проявления признака узорчатости. Кроме того, узорчатость имеет и топографические особенности локализации на стволе дерева — наибольшую выраженность признак приобретает в области
выхода скелетных ветвей (узлах), а наименьшую — в междоузлиях, что особенно хорошо заметно на ранних этапах развития карельской березы. В литературе данный эффект объясняют более высоким содержанием гормонов в узловых сегментах стебля [4, 10]. Следовательно, в случае естественного формирования узорчатой древесины наблюдается своего рода «фенотипический градиент», определяемый, по всей видимости, пространственной гетерогенностью действия эндогенных факторов. Кроме анатомо-морфологической разнородности древесины карельской березы, также были выявлены различия и в транскрипционной активности многих генов при сравнении камбиальной ткани узловых сегментов и междоузлий ствола [11].
Дополнительным подтверждением наследственной природы уникальных признаков карельской березы также могут выступать результаты ее вегетативного размножения путем прививки (в качестве привоя или донора) (обозначены ранее) или трансплантации (как одной из разновидностей прививки) фрагментов коры, содержащей камбиальные ткани, на стволы, например, березы повислой или березы пушистой (в качестве подвоя или реципиента). При выполнении прививки происходит сохранение и последующее развитие у нее изначальных (собственных) фенотипи-ческих признаков, характерных привою (донору) и подвою (реципиенту). Особенностью привитых растений, в отличие от обычных узорчатых особей, является формирование относительно узкой выраженной границы в месте прививки, разделяющей фенотипи-чески контрастные участки древесины [5]. На наш взгляд, отсутствие «анатомо-морфо-логического градиента» в переходной зоне может указывать на наличие определенных физиологических механизмов, обеспечивающих стабильность функционирования генов, ассоциированных с проявлением признака узорчатости древесины, в случае их активации, репрессии или супрессии.
В настоящее время основным способом получения однородного посадочного материала узорчатых форм карельской березы является клональное микроразмножение [3, 12], которое позволяет в опытных и промышленных объемах производить саженцы, сохраняющие
фенотип исходного материнского дерева. Использование методов непрямого морфогенеза и клеточной селекции дает дополнительные возможности для получения новых генотипи-ческих вариантов. В то же время получение саженцев путем прививки или трансплантации также имеет ряд перспективных направлений, связанных с получением декоративных форм химерных растений, ускорением роста кустообразных и короткоствольных форм, размножением трудноукореняемых клонов и др.
Новые перспективы открывает молекуляр-но-генетический анализ привитых растений, причем не только для прямого практического применения как способа сертификации и верификации посадочного материала, но и для решения широкого круга фундаментальных задач, направленных, в том числе и на выявление механизмов формирования узорчатой текстуры в древесине карельской березы.
Исходя из вышесказанного, целью данного исследования явилось изучение сочетания ал-лельных вариантов микросателлитных локу-сов и плоидности тканей древесины и коры, полученных путем прививки копулировкой и локальной трансплантации коры (фрагментом и кольцевой в виде пояса) (как одной из разновидностей прививки) карельской березы на стволы березы повислой или березы пушистой с использованием семи микросателлитных маркеров.
Материалы и методы
Объектами молекулярно-генетических исследований были карельская береза Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) Hamet-Ahti, береза повислая Betula pendula Roth и береза пушистая Betula pubescens Ehrh. Материалом для выделения ДНК служили ткани древесины и коры, полученные в результате прививки копулировкой (привой — карельская береза, подвой — береза повислая) или локальной трансплантации коры фрагментом или кольцом в виде пояса (донор — карельская береза, реципиент — береза повислая или береза пушистая). При выполнении прививки корневую систему одного растения соединяли с кроной другого, а при трансплантации, независимо от ее типа, крона и корневая система принадлежали исключительно реципиенту. Трансплантацию тканей проводили на стволе
реципиента на высоте 1,3 м, размеры коры донора при пересадке в форме прямоугольника были 3 х 4 см, а при кольцевой (в виде пояса) — не менее 5 см по высоте относительно ствола реципиента, диаметр последнего на момент выполнения прививки составлял около 4 см. Привоем (или донором) во всех случаях была карельская береза, обладающая уникальной узорчатой текстурой древесины; подвоем (реципиентом) — береза повислая или береза пушистая с характерной для обеих прямово-локнистой текстурой древесины. Опыты по прививке и трансплантации тканей выполнены в конце 1980-х гг., спустя 4-9 лет они были спилены для проведения в последующем анатомо-морфологических исследований [13]. Для проведения молекулярно-генетического анализа с помощью сверла отбирали образцы воздушно-сухой древесины и коры (в виде мелких опилок), исключая их смешивание. Общее число проанализированных образцов составило 18.
Для генотипирования тканей древесины и коры разных видов березы использовали анализ полиморфизма микросателлитных локусов, локализованных в клеточном ядре (nSSRP). В качестве маркеров служили ми-кросателлитные локусы или короткие простые повторы (SSR — Simple Sequence Repeate), локализованные в клеточном ядре и рекомендованные в качестве ДНК-маркеров для видов рода Betula L. — L2.2, L1.10, L7.8, L10.1, L022, L7.3, L5.4 [14]. Выбор данных маркеров также был обусловлен их высоким уровнем изменчивости (на основании предварительного анализа показателей полиморфизма: числа аллелей на локус (5-12), наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности (0,40-0,90)). Прямой прай-мер для каждого из маркеров на 5'-конце был мечен одним из типов красителей — 6FAM, TAMRA или HEX.
Выделение ДНК из тканей древесины и коры осуществляли по методике, описанной в монографии В. Е. Падутова с соавторами [15]. Полимеразную цепную реакцию (ПЦР) проводили с использованием коммерческой смеси, содержащей TaqHF ДНК-полимеразу (Thermo Fisher Scientific/Fermentas, Литва) согласно инструкции фирмы-изготовителя.
Амплификацию проводили по следующей программе для всех используемых прайме-
ров: 1 этап (1 цикл): денатурация 3 мин при 94 °С. 2 этап (35 циклов): денатурация 45 сек при 94 °С, отжиг 25 сек при 60 °С, элонгация 1 мин при 72 °С. 3 этап (1 цикл): элонгация 7 мин при 72 °С. 4 этап (1 цикл): охлаждение реакционной смеси 5 мин при 4 °С.
Электрофоретическое фракционирование ампликонов SSR-маркеров проводили с помощью генетического анализатора ABI Prism 310 Genetic Analyzer (Thermo Fisher Scientific, США) в соответствии с инструкцией фирмы-производителя. Для оценки данных электрофоретического фракционирования, расчета уровня миксоплоидии, определения микросателлитной нестабильности и верификации достоверности данных использовали программу GeneMapper 4.0 (Thermo Fisher Scientific, США).
Результаты и обсуждение
Исследования показали, что в результате выполнения прививки путем копулировки и привой, и подвой сохраняли характерный для каждого из них аллельный спектр. В таблице 1 приведены данные для тканей древесины прививки (дерево ПТ-982), у которой привой — карельская береза (генотип КБ-337), подвой — береза повислая (генотип ББ-221). При этом электрофоретические спектры тканей древесины, полученные на основе SSR-маркеров, обнаружили наличие у них одного или двух пиков. Это говорит о том, что оба компонента прививки являются диплоидами. Однако присутствие одного пика свидетельствует о том, что генотип является гомозиготным по конкретному локусу, а двух — гетерозиготным. В частности, по ло-кусу L1.10 привой (карельская береза) оказался гомозиготным (188 п. н.), а подвой (береза повислая) — гетерозиготным (185/190 п. н.) (рис. 1). Диплоидный статус подтверждают также относительно равные высоты пиков электрофоретических вариантов в случае гетерозиготных тканей.
В то же время обнаружено, что ткани древесины подвоя (березы повислой) имеют некоторые генетические особенности, которые отразились в аллельном дисбалансе, в частности по локусу L2.2 (рис. 2А), и в значительном количестве минорных фракций с неустановленной детерминацией по локусу L10.1
Таблица 1
SSR-спектры тканей древесины подвоя и привоя дерева ПТ-982, полученного в результате
прививки копулировкой
Образец SSR-маркеры
L2.2 L1.10 L10.1 L022 L5.4 L7.3 L7.8
Подвой — береза повислая
ББ-221/1 130/133 185/190 259 194/194 258/261 201/207 320
ББ-221/2 130/133 185/190 259 194/194 258/261 201/207 320
ББ-221/3 130/133 185/190 259 194/194 258/261 201/207 320
ББ-221/4 130/133 185/190 259 194/194 258/261 201/207 320
ББ-221/5 130/133 185/190 259 194/194 258/261 201/207 320
Привой — карельская береза
КБ-337/1 131/133 188/188 259 194/198 231 194/205 320/338
КБ-337/2 131/133 188/188 259 194/198 231 194/205 320/338
КБ-337/3 131/133 188/188 259 194/198 231 194/205 320/338
КБ-337/4 131/133 188/188 259 194/198 231 194/205 320/338
КБ-337/5 131/133 188/188 259 194/198 231 194/205 320/338
Примечание. здесь, а также в таблице 2 и 3 электрофоретические варианты обозначены в соответствии с их размером, выраженном в н. о.
Рис. 1. 88Я-сиектры по маркеру L1.10 тканей древесины дерева ПТ-982, где привой — карельская береза,
подвой — береза повислая
(рис. 2Б), что может указывать на наличие повышенного уровня миксоплоидии и геномной нестабильности. Однако генетический химе-ризм тканей не диагностировался, поскольку характер минорных спектров по локусам L7.3, L10.1, L022 был сходным с подвоем или привоем, а по L2.2, L1.10, L5.4 и L7.8 они не выявлялись.
В ходе анализа образцов, полученных при локальной трансплантации фрагментов коры
(содержащих камбий) карельской березы на ствол березы пушистой, установлено, что донор и реципиент также сохраняли свои моле-кулярно-генетические профили. В таблице 2 приведены данные SSR-анализа тканей древесины дерева-реципинта березы пушистой (генотип БП-137), на стволе которого выполнена локальная трансплантация фрагмента коры карельской березы в качестве донора (генотип КБ-129).
Рис. 2. SSR-спектры тканей древесины подвоя ББ-221 по маркерам L2.2 (А) и L10.1 (Б)
Таблица 2
ЗБЯ-спектры тканей древесины реципиента БП-137 и донора КБ-129
Образец SSR-маркеры
L2.2 L1.10 L10.1 L022 L5.4 L7.3 L7.8
Донор - карельская береза
КБ-129/1 131/137 175/188 255/259 185/194 231 204 294/319
КБ-129/2 131/137 175/188 255/259 185/194 231 204 294/319
КБ-129/3 131/137 175/188 255/259 185/194 231 204 294/319
КБ-129/4 131/137 175/188 255/259 185/194 231 204 294/319
КБ-129/5 131/137 175/188 255/259 185/194 231 204 294/319
Реципиент - береза пушистая
БП-137/1 131/135/137 187/194/197/201 255/255/255/259 178/180/189/191 253 201/203/208/212 306
БП-137/2 131/135/137 187/194/197/201 255/259 178/180/189/191 253 201/203/208/212 306
БП-137/3 131/135/137 187/194/197/201 255/259 178/180/189/191 253 201/203/208/212 306
БП-137/4 131/135/137 187/194/197/201 255/259 178/180/189/191 253 201/203/208/212 306
БП-137/5 131/135/137 187/194/197/201 255/259 178/180/189/191 253 201/203/208/212 306
Как видно из таблицы 2, у донора (карельская береза) электрофоретические варианты не превышали двух по количеству, что соответствует его диплоидному статусу (2п). В то же время у реципиента диагностировалось до четырех вариантов одновременно, что указывало на тетраплоидный набор хромосом (4п), характерный для березы пушистой (рис. 3). Особенности электрофоретических спектров (кратные различия в высотах пиков) в случаях диагностики двух вариантов также подтверждали тетраплоидный статус реципиента [16].
Следует отметить, что в результате выполнения прививок видимые различия в ПЦР-спек-трах тканей древесины реципиента и донора
нами не обнаружены, о чем свидетельствовало отсутствие достоверного дисбаланса пиков электрофоретических вариантов по высоте и однотипном спектре выявляемых аллеломорфов. Генетический химеризм тканей образцов древесины донора или реципиента также достоверно не диагностировали ни по одному из изученных маркеров.
Анализ разнородных тканей, вновь сформировавшихся в результате проведения кольцевой (в виде пояса) трансплантации фрагмента коры карельской березы (донор) (генотип КБ-135) на ствол березы повислой (реципиент) (генотип ББ-234), когда у реципиента были «перерезаны» транспортные пути как нисхо-
Рис. 3. SSR-спектр древесины донора — карельской березы КБ-129/1 и реципиента — березы пушистой БП-137/5
по маркеру L1.10
дящего тока от кроны к его собственной корневой системе, так и восходящего (от корневой системы к кроне), показал, что после срастания пересаженные ткани донора, располагаясь на стволе локально, продолжали развиваться и сохранять в древесине свои отличительные особенности. При этом структура окружающих тканей не изменялась, а в границах пересаженного участка наблюдался ежегодный радиальный прирост, который не смещался по стволу ни вверх, ни вниз. На рисунке 4 представлено изменение текстуры древесины на поперечных спилах ствола, сделанных послойно, начиная со средней части пересаженного участка коры карельской березы (донор) (спил I) и по мере удаления ее в сторону березы повислой (реципиента) (спил II), включая границу срастания донора и реципиента (спил III) и ниже ее, спил которого (IV) соответствует древесине реципиента.
Как видно из рисунка 4, на поперечных спилах ствола, сделанных в средней части кольце-
вой пересадки (спилы I и II), основную часть древесины занимают ткани с выраженной узорчатой текстурой, характерной фенотипу донора — карельской березе. Безузорчатые участки древесины расположены в центральной части спила в виде кольца (исходные ткани реципиента до трансплантации) и в секторе, топографически относящемуся к зоне соединения (стыка) краевых поверхностей тканей донора и реципиента. На спиле, соответствующему нижней границе срастания донора с реципиентом (спил III), текстура древесины носит смешанный характер. Последний из спилов (IV) соответствует древесине реципиента, поэтому узорчатость на нем отсутствует. Обращает на себя внимание, что образование узорчатой древесины происходит не в первый, а только на второй год после трансплантации. Это обусловлено тем, что для повышения эффективности срастания разнородных компонентов ткани коры карельской березы берутся не со ствола, а с боковых побегов (ветвей),
Рис. 4. Поперечные спилы, сделанные послойно в средней части кольцевой пересадки, отражающие изменение текстуры древесины, начиная со средней части (МУ) места трансплантации фрагмента коры донора (карельской березы) и по мере удаления ее в сторону реципиента (березы повислой) (IV). Стрелками указаны краевые точки соединения древесины донора и реципиента, образовавшейся (в виде сектора) по мере увеличения диаметра ствола
имеющих ровную поверхность. Это способствует приживаемости тканей, но не препятствует формированию узорчатой древесины. Использование коры стволовой части карельской березы малопригодно для трансплантации, т. к. она имеет килевидные выросты на внутренней поверхности, ухудшающие регенерацию и срастание тканей.
Проведенный молекулярно-генетический анализ показал, что при кольцевой трансплантации все участки, относящиеся к «узорчатым» областям, вне зависимости от типа ткани (кора или древесина), оказались генетически идентичными и отличались от образцов безузорчатой ткани (рис. 5, табл. 3). Молекулярно-генетические профили древесины, соответствующие безузорчатым участкам (внутреннее кольцо, сектор, сформированный на месте соединения краевых поверхностей донора с реципиентом, ткани ниже места
трансплантации) также были идентичными между собой. Это позволило сделать вывод о том, что все ткани с декоративной текстурой принадлежат донору — карельской березе, а с прямоволокнистой структурой — реципиенту — березе повислой.
Анализ уровня миксоплоидии тканей — производных донора и реципиента показал, что в ряде случаев данный показатель превышает норму (3-20%), характерную для вегетативных тканей покрытосеменных древесных растений [17]. При этом доля гетероплоидных клеток в тканях древесины и коры отдельных образцов варьировала от средних до высоких значений (дисбаланс аллелей в различных хромосомах составил от 22,2 до 78,6%), что
связано, по всей вероятности, с утратой одной из хромосом. Количественные показатели уровня миксоплоидии для тканей — производных донора и реципиента представлены на
Рис. 5. 88К-спекгры тканей древесины и коры донора КБ-135 и реципиента ББ-234 (маркер L1.10). 1-3, 5-10 — безузорчатые участки (реципиент); 4 — сектор, сформированный на месте соединения краевых поверхностей донора с реципиентом; 11 — узорчатый участок (донор, кора); 12 — узорчатый участок (донор, древесина)
Таблица 3
SSR-спектры тканей древесины и коры реципиента ББ-234 и донора КБ-135
Образец Маркер
L2.2 L1.10 L10.1 L022 L5.4 L7.3 L7.8
ББ-234 133 179/181 259 185/191 251/255 195/209 298/298
КБ-135 133 179/187 259 194/209 253/253 204/204 299/302
рисунке 6. Гомозиготы считались неинформативными случаями.
Как видно из рисунка 6, по отдельным маркерам в тканях древесины узорчатых и безузорчатых образцов диагностировался высокий уровень аберрантных клеток (аллельный дисбаланс до 78,4 и 78,6% соответственно), что, по всей вероятности, обусловлено физиологическими процессами, произошедшими в камбиальных клетках в период регенерации и срастания генетически разнородных тканей. Кроме того, в тканях отдельных образцов древесины и коры реципиента, соответствующих зоне срастания компонентов (маркер L5.4.), уровень гетероплоидных клеток превысил 20%.
Рис. 6. Уровень миксоплоидии тканей на основании расчета данных потери гетерозиготности по маркерам у донора (карельская береза, КБ-135): 1 — L1.10, 2 — L5.4, 3 — L7.3 и у реципиента (береза повислая, ББ-234): 4 — L1.10 и 5 — L7.8
Следует также отметить, что в переходных (реципиент/донор) и пограничных (прилежащих) участках древесины достоверно диагностировался химеризм тканей, что выражалось в одновременном наличии вариантов аллелей, характерных обоим генотипам. Кроме того, в ряде образцов древесины реципиента и донора выявлена микросателлитная нестабильность, проявляющаяся в виде появления дополнительных атипичных (с редуцированным мотивом в составе повторяющейся ДНК) аллеломорфов в SSR-спектрах.
Заключение
Проведенная молекулярно-генетическая оценка образцов древесины, полученных в ходе прививки копулировкой карельской березы на березу повислую или березу пушистую, показала отсутствие существенных изменений в выявляемых аллельных вариантах в SSR-спектре вновь образуемых тканей подвоя и привоя. В то же время в зоне, соответствующей месту прививки, в ряде случаев отмечали повышение уровня геномной нестабильности. При проведении локальной трансплантации тканей коры образуемая древесина (на основании генетических данных) является исключительно производной донора и не содержит наследственного материала реципиента (отсутствие химеризма), за исключением зоны срастания генетически разнородных тканей, где образование раневых тканей осуществляется за счет латеральной меристемы обоих компонентов. Уровень генетических аберраций, возникающих в камбиальных клетках, был более высоким в случае кольцевой трансплантации коры, когда «перерезаются» все нисходящие и восходящие транспортные пути вдоль оси ствола реципиента по его окружности. В целом после выполнения прививки (или локальной трансплантации тканей как разновидности прививки) привой (донор) и подвой (реципиент) сохраняли не только присущие им фенотипические, но и генотипические особенности, четко различаясь по спектрам аллельного разнообразия, что выступает еще одним важным аргументом в пользу точки зрения о том, что узорчатая текстура древесины карельской березы является генетически детерминированным признаком.
Финансовое обеспечение исследований осуществлялось при частичной поддержки грантов Б07М-077, БРФФИ № Б17-63, а также из средств федерального бюджета Российской Федерации на выполнение государственного задания Карельского научного центра РАН (Институт леса КарНЦ РАН — № FMEN-2021-0018, Институт биологии КарНЦ РАН — № FMEN-2022-0004).
Список использованных источников
1. Новицкая, Л. Л. Карельская береза: механизмы роста и развития структурных анома-
лий // Л. Л. Новицкая. - Петрозаводск: Verso, 2008. - 144 с.
2. Курносов, Г. А. Ямчатость стебля как типичное проявление аномального строения стебля древесных растений / Г. А. Курносов // Лесной вестник. - 2000. - № 6. - С. 151-155.
3. Ветчинникова, Л. В. Карельская береза: биологические особенности, динамика ресурсов и воспроизводство // Л. В. Ветчинникова, А. Ф. Титов, Т. Ю. Кузнецова. - Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2013. - 312 с.
4. Chapter 4 — Phytoplasma diseases of trees / C. Marcone [et al.] // Forest Microbiology: Forest Microbiology / eds. F. O. Asiegbu, A. Kovalchuk.
- Academic Press. - 2023. - Vol. 3. - P. 99-120. https://doi.org/10.1016/B978-0-443-18694-3.00008-0.
5. Ветчинникова, Л. В. Карельская береза: важнейшие результаты и перспективы исследований [монография] / Л. В. Ветчинникова, А. Ф. Титов. - Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2021. - 243 с.
6. Ветчинникова, Л. В. Особенности структуры популяций карельской березы / Л. В. Ветчинникова, А. Ф. Титов // Успехи современной биологии. - 2020. - Т. 140, № 6. - С. 601-615.
7. Соколов, Н. О. Карельская береза / Н. О. Соколов. - Петрозаводск: Гос. изд-во Карело-Финской ССР, 1950. - 116 с.
8. Любавская, А. Я. Карельская береза / А. Я. Любавская. - М.: Лесная промышленность, 1978. - 158 c.
9. Hagqvist, R. Visakoivun kasvatus ja käyttö / R. Hagqvist, A. Mikkola. - Metsäkustannus Oy, 2008. - 168 p.
10. Косиченко, Н. Е. Структурные аспекты гормональной обусловленности нарушения активности камбия / Н. Е. Косиченко, С. В. Ще-тинкин // Проблемы физиологии и биохимии древесных растений: Тез. докл. Всесоюз. конф.
- Красноярск. - 1982. - С. 124.
11. Кирьянов, П. С. Поиск селективных маркеров, ассоциированных с аномальным кси-логенезом карельской березы (Betula pendula
Roth. var. carelica Merkl.), с использованием высокопроизводительного секвенирования / П. С. Кирьянов // Труды БГТУ. Сер. 1, Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. - Минск: БГТУ -2020. - № 2 (234). - С. 79-85.
12. Meier-Dinkel, A. Micropropagation of Birches (Betula spp.) / A. Meier-Dinkel // HighTech and Micropropagation II / ed. Y.P.S. Bajaj. -Berlin, Heidelberg: Springer. - 1992. - P. 40-81.
13. Ермаков, В. И. Внутри- и межвидовая трансплантация коры березы и ее регенерация при повреждении [монография] / В. И. Ермаков, Л. Л. Новицкая, Л. В. Ветчинникова. - Петрозаводск: КарНЦ АН СССР, 1991. - 184 с.
14. Kulju, K. K. M. Twenty-three microsatellite primer pairs for Betula pendula (Betulaceae) / K. K. M. Kulju, M. Pekkinen, S. Varvio // Molecular Ecology Notes. - 2004. - Vol. 4, № 3.
- P. 471-473. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2004.00704.x.
15. Падутов, В. Е. Методы молекулярно-ге-нетического анализа / В. Е. Падутов, О. Ю. Баранов, Е. В. Воропаев. - Минск: Юнипол, 2007. - 176 c.
16. Баранов, О. Ю. Использование моле-кулярно-генетических маркеров для анализа плоидности осины и березы / О. Ю. Баранов,
B. Балюцкас // Проблемы лесоведения и лесоводства: Сборник научных трудов ИЛ НАН Беларуси. - Вып. 69. - Гомель: ИЛ НАН Беларуси. - 2009. - С. 689-696.
17. Машкина, О. С. Длительное культивирование в условиях in vitro как один из способов сохранения представителей ценного генофонда карельской березы / О. С. Машкина, Т. М. Табацкая // Достижения и проблемы лесной генетики и селекции: к 40-летию НИИЛ-ГиС / Агентство лесного хозяйства Российской Федерации, ФГУП «Научно-исследовательский институт лесной генетики и селекции».
- Воронеж: Издательство Истоки. - 2010. -
C. 30-51.
S. V. Panteleev1, L. V. Vetchinnikova2, A. F. Titov3, P. S. Kiryanov1, O. Yu. Baranov4
MOLECULAR GENETIC ANALYSIS OF WOOD AND BARK OF DIFFERENT BIRCH SPECIES OBTAINED DURING THE COPULATION GRAFTINGS AND TRANSPLANTATION OF BARK AREAS CONTAINING
CAMBIUM
1Forest Research Institute of the National Academy of Sciences of Belarus 71 Proletarskaya St., 246050 Gomel, the Republic of Belarus e-mail: [email protected] 2Forest Research Institute of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences 11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk, Russia 3Institute of Biology of the Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences 11 Pushkinskaya St., 185910 Petrozavodsk, Russia "National Academy of Sciences of Belarus 66 Nezavisimosti Ave., 220072 Minsk, the Republic of Belarus
Microsatellite analysis was applied to the trunk tissue fragments of different birch species generated through whip grafting or local bark transplantation (in the form of a patch or a ring). The scion (donor) was the bark tissue of curly birch Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) Hamet-Ahti, which has veined wood highly contrasting with the common (straight-grained) wood of the rootstock (recipient) — silver birch Betula pendula Roth and downy birch Betula pubescens Ehrh. Hardly any noticeable changes were established in the scion and rootstock wood. In the case of local bark transplantation, the newly formed wood was also the donor derivative, and it did not contain the recipient's hereditary material (no genetic chimerism), except for the fusion area of genetically heterogeneous tissues, where the wound surface is formed due to the lateral meristem of both components. At the same time, we found that the amount of aberrant cells in such areas are higher in the case of bark ring transplantation where all the ascending and descending transport pathways along the recipient's trunk axis are severed all around the trunk circumference. It is concluded that after whip grafting (or local bark transplantation), the scion (donor) and the rootstock (recipient) retain their specific phenotypic as well as genotypic traits, differing clearly in allelic diversity spectra, which is another important argument in favor of the opinion that the figured pattern in curly birch wood is a genetically determined trait.
Keywords: SSR markers, curly birch, Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) Hamet-Ahti, silver birch, Betula pendula Roth, downy birch, Betula pubescens Ehrh., grafting, tissue transplantation, pattern wood, genotypes.
Дата поступления в редакцию: 23 сентября 2024 г.
