Полевые испытания размноженных in vitro клонов осины (Populus tremula L.): рост, продуктивность, качество древесины, генетическая стабильность

УДК

630.181.51:58.085

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.6.25

Аннотация

Широкое внедрение в лесокультурное производство высокопродуктивных и гнилеустойчивых форм и гибридов осины (Populus tremula L.) сдерживается отсутствием эффективных методов их вегетативного размножения. Достижения современной лесной биотехнологии позволяют проводить клонирование in vitro экономически ценных генотипов осины и получать посадочный материал для плантационного лесовыращивания. Изучение особенностей проявления ценных признаков и генетической стабильности размноженных in vitro клонов в полевых условиях (ex vitro) важно для разработки эффективных и надежных методов клонирования, гарантирующих сохранение генетической и хозяйственной ценности материнских деревьев для их устойчивого и целевого воспроизводства. Представлены результаты оценки генетической стабильности, динамики роста, продуктивности и качества древесины трех размноженных in vitro клонов осины (6/3, 15/01 и 20/4) в полевых условиях. Микроразмножение осуществляли путем прямого органогенеза с использованием безгормональных питательных сред, что способствовало уменьшению вероятности возникновения сомаклональной изменчивости при культивировании in vitro. По итогам 17-летних полевых испытаний клоны демонстрируют хороший рост и достаточно высокую продуктивность древостоев, сохраняют ростовые особенности материнских деревьев, не проявляют признаков сомаклональной изменчивости. В возрасте 17 лет средняя высота деревьев составила 18...20 м; диаметр ствола – 25...30 см; объем ствола – 0,391...0,553 м³; запас древесины на 1 га при размещении деревьев 4×4 м и сохранности 44...71 % – 111...227 м³/га. Выявлена высокая генетическая стабильность клонов (по микросателлитным локусам, уровню плоидности и миксоплоидии) в условиях in vitro и ex vitro. Показано, что более высокой сохранностью и лучшими показателями качества древесины (по плотности и длине волокна) отличается триплоидный клон 15/01, имеющий выраженную миксоплоидную природу. Это может быть связано с оптимальным сбалансированным соотношением у него клеток разного уровня плоидности (триплоидных, диплоидных и анеуплоидных), которое обеспечивает наиболее эффективную экспрессию генов в конкретных условиях среды.

Сведения об авторах

О.С. Машкина^1,2, канд. биол. наук, доц.; ResearcherID: H-7362-2014, ORCID: 0000-0001-8252-2192
Е.А. Шабанова¹, науч. сотр.; ORCID: 0000-0003-3795-2702
И.Н. Вариводина¹, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: H-9040-2017, ORCID: 0000-0002-0351-8898
Т.А. Гродецкая^1,2, мл. науч. сотр., аспирант; ResearcherID: S-8770-2019, ORCID: 0000-0002-5448-2792
¹Всероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологии, ул. Ломоносова, д. 105, г. Воронеж, Россия, 394087; е-mail: mashkinaos@ mail.ru, katy-green2009@yandex.ru, varivodinna@rambler.ru, tatyana.pokusina@yandex.ru
²Воронежский государственный университет, Университетская площадь, д. 1, г. Воронеж, Россия, 394018; е-mail: mashkinaos@mail.ru, tatyana.pokusina@yandex.ru

Ключевые слова

Populus tremula L., клонирование in vitro, полевые испытания, хромосомный и микросателлитный анализ

Для цитирования

Машкина О.С., Шабанова Е.А., Вариводина И.Н., Гродецкая Т.А. Полевые испытания размноженных in vitro клонов осины (Populus tremula L.): рост, продуктивность, качество древесины, генетическая стабильность // Лесн. журн. 2019. № 6. С. 25–38. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.6.25

Литература

1. Багаев Е.С., Багаев С.С., Макаров С.С., Чудецкий А.И. Перспективы плантационного выращивания быстрорастущих триплоидных клонов осины в южно-таежном лесном районе европейской части России // Вест. Тюмен. гос. ун-та. Экология и природопользование. 2018. Т. 4, № 3. С. 81–93. [Bagaev E.S., Bagaev S.S., Makarov S.S., Chu detsky A.I. Prospects for Plantation Growing Fast-Growing Triploid Clones of Aspen in the Southern Taiga Forest Area of the European Part of Russia. Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta. Ekologiya i prirodopol’zovaniye [Tyumen State University Herald. Natural Resource Use and Ecology], 2018, vol. 4, no. 3, pp. 81–93]. DOI: 10.21684/2411-7927-2018-4-3-81-93
2. Буторина А.К. Факторы эволюции кариотипов древесных // Успехи современной биологии. 1989. № 3(6). С. 342–357. [Butorina A.K. Factors of Karyotypes Evolution in Woody Plants. Uspekhi sovremennoy biologii [Biology Bulletin Reviews], 1989, no. 3(6), pp. 342–357].
3. Газизуллин А.Х., Гарипов Н.Р., Пуряев А.С., Ятманова Н.М., Хакимова З.Г., Чернов В.И., Исмагилов Р.И. Результаты исследования четырехлетних опытных культур осины, созданных в Республике Татарстан методами биотехнологии // Вестн. Казан. ГАУ. 2011. № 3(21). С. 118–120. [Gazizullin A.Kh., Garipov N.P., Puryaev A.S., Yatmanova N.M., Khakimova Z.G., Chernov V.I., Ismagilov R.I. Four-Year Results of Experimental Cultures of Aspen Established by Tatarstan Biotechnology. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Vestnik of Kazan State Agrarian University], 2011, no. 3(21), pp. 118–120].
4. Гуров А.Ф., Фокин В.Н. Основные пороки древесины осины и березы и их влияние на выход деловой древесины // Лесн. вестн. 2000. № 4. С. 92–94. [Gurov A.F., Fokin V.N. The Main Defects of Aspen and Birch Wood and Their Influence on the Commercial Timber Output. Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2000, no. 4, pp. 92–94].
5. Жигунов А.В., Шабунин Д.А., Бутенко О.Ю. Лесные плантации триплоидной осины, созданные посадочным материалом in vitro // Вестн. Поволж. гос. технол. унта. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. 2014. № 4(24). С. 21–30. [Zhigunov A.V., Shabunin D.A., Butenko O.Yu. Triploid Aspen Forest Plantations of in vitro Planting Material. Vestnik PGTU. Ser. «Les. Ekologiya. Prirodopolzovanie» [Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Forest. Ecology. Nature Management], 2014, no. 4(24), pp. 21–30].
6. Иванников С.П. Быстрорастущая и устойчивая к гнили форма осины // Лесн. хоз-во. 1952. № 12. С. 37–38. [Ivannikov S.P. Fast-Growing and Rot-Resistant Aspen Species. Lesnoye khozyaystvo, 1952, no. 12, pp. 37–38].
7. Кодун-Иванова М.А., Кулагин Д.В. Рост лесных культур осины на вырубке и в условиях деградированных лесных земель // Сахаровские чтения 2018 года: экологические проблемы XXI века: материалы 18-й междунар. науч. конф., 17–18 мая 2018 г., г. Минск, Республика Беларусь: в 3 ч. Минск: ИВЦ Минфина, 2018. Ч. 3. С. 45–46. [Kodun-Ivanova M.A., Kulagin D.V. Growth of Forest Crops of Australia on Felling and in the Conditions of Degraded Forest Land. Proceedings of the 18th International Scientific Conference “Sakharov Readings 2018: Environmental Problems of the XXI Century”, May 17–18, 2018, Minsk, Belarus. Minsk, Minfin Publ., 2018, part 3, pp. 45–46].
8. Кузнецова Н.Ф. Развитие неспецифической и специфической реакций у Pinus sylvestris L. на популяционном уровне в стрессовом градиенте засушливых лет // Экология. 2015. № 5. С. 332–338. [Kuznetsova N.F. Development of Specific and Nonspecific Reponses to Stress in Pinus sylvestris L. at Population Level in a Gradient of Drought Years. Ekologiya [Russian Journal of Ecology], 2015, no. 5, pp. 332–338]. DOI: 10.1134/S1067413615050136
9. Кунах В.А. Пластичность генома соматических клеток и адаптивность растений // Молекулярная и прикладная генетика: сб. науч. тр. Минск: Право и экономика. 2011. T. 12. С. 7–14. [Kunakh V.A. Genome Plasticity of Somatic Cells and Plant Adaptability. Molecular and Applied Genetics: Collection of Academic Papers. Minsk, Pravo i ekonomika Publ., 2011, no. 12, pp. 7–14].
10. Лебедев В.Г., Азарова А.Б., Шестибратов К.А. Широкомасштабное клональное микроразмножение декоративных и лесных культур // Проблемы и перспективы развития современной ландшафтной архитектуры: материалы Всерос. науч.-практ.   конф. с междунар. участием, 25–28 сент. 2017 г. Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2017. С. 189–192. [Lebedev V.G., Аzarova А.B., Shestibratov K.А. Large-Scale Clonal Micropropagation of Ornamental and Forest Crops. Problems and Prospects of Development of Modern Landscape Architecture: Materials of the Scientific Conference. Simferopol, PP “ARIAL” Publ., 2017, pp. 189–192].
11. Машкина О.С., Исаков Ю.Н. Микроклональное размножение хозяйственно ценных генотипов осины // Сохранение, изучение и воспроизводство генетических ресурсов лесных древесных растений: сб. науч. тр. Воронеж, 2007. С. 47–58. [Mashkina O.S., Isakov Yu.N. Microclonal Propagation of Economically Valuable Genotypes of Aspen. Preservation, Study and Reproduction of Genetic Resources of Forest Woody Plants: Collection of Academic Papers. Voronezh, 2007, pp. 47–58].
12. Михайлов Л.Е. Осина. М.: Агропромиздат, 1985. 72 с. [Mikhaylov L.E. Aspen. Moscow, Agropromizdat Publ., 1985. 72 p.].
13. Полубояринов О.И. Плотность древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1976. 160 с. [Poluboyarinov O.I. The Density of Wood. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1976. 160 p.].
14. Седельникова Т.С. Изменчивость размера генома хвойных в экстремальных условиях произрастания // Успехи современной биологии. 2015. T. 135, № 5. С. 514–528. [Sedel’nikova T.S. Variability of Genome Size in Conifers under Extreme Environmental Conditions. Uspekhi sovremennoy biologii [Biology Bulletin Reviews], 2015, no. 135(5), pp. 514–528].
15. Столярова Н.А. Выращивание посадочного материала триплоидной осины, полученного по технологии in vitro и закладка плантаций // Изв. СПбЛТА. 2010. Вып. 193. С. 62–71. [Stolyarowa N.А. Growing Seedlings Triploid Aspen Obtained by in vitro Technology and Plantation. Izvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2010, iss. 193, pp. 62–71].
16. Топильская Л.А., Лучникова С.А., Чувашина Н.П. Изучение соматических и мейотических хромосом смородины на ацетогематоксилиновых давленых препаратах // Бюл. науч. информ. Центр. генет. лаб. им. И.В. Мичурина. 1975. № 22. С. 58–61. [Topil’skaya L.А., Luchnikova S.А., Chuvashina N.P. Study of Somatic and Meiotic Chromosomes of Currant on Acetohematoxylin Squashed Preparations. Byulleten’ nauchnoy informatsii Tsentral’noy geneticheskoy laboratorii imeni I.V. Michurina, 1975, no. 22, pp. 58–61].
17. Уголев Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение. М.: Академия, 2011. 272 с. [Ugolev B.N. Wood Science and Forest Merchandizing. Moscow, Akademiya Publ., 2011. 272 p.].
18. Царев А.П., Погиба С.П., Лаур Н.В. Селекция лесных и декоративных древесных растений. М.: МГУЛ, 2014. 552 с. [Tsarev A.P., Pogiba S.P., Laur N.V. Breeding of Forest and Ornamental Woody Plants. Moscow, MGUL Publ., 2014. 552 p.].
19. Шабунин Д.А., Подольская В.А., Бовичева Н.А. Получение посадочного материала быстрорастущих форм осины с использованием метода in vitro и закладка плантаций // Лесохозяйств. информ. 2008. № 3-4. С. 51–53. [Shabunin D.А., Podol’skaya V.А., Bovicheva N.А. Production of Planting Material of Fast-Growing Aspen Forms Using in vitro Techniques and Laying out of Plantations. Lesokhozyaystvennaya informatsiya [Forestry information], 2008, no. 3-4, pp. 51–53].
20. Ahuja M.R. Somatic Cell Differentiation and Rapid Clonal Propagation of Aspen. Silvae Genetica, 1983, vol. 32, iss. 3-4, pp. 131–135.
21. Doyle J.J., Doyle J.L. A Rapid DNA Isolation Procedure for Small Quantities of Fresh Leaf Tissue. Phytochemical Bulletin, 1987, vol. 19, pp. 11–15.
22. Dubova I. Triploīdās apses (P. tremula) un hibrīdapses (P. tremuloides × P. tremula) klonu pavairošana audu kultūrā in vitro [Micropropagation of Triploid Aspen (P. tremula) and Aspen Hybrids (P. tremuloides × P. tremula) in vitro]. Mežzinātne [Forest Science], 2008, no. 17(50), pp. 117–130.
23. Greer B.T., Still C., Cullinan G.L., Brooks J.R., Meinzer F.C. Polyploidy Influences Plant-Environment Interactions in Quaking Aspen (Populus tremuloides Michx.). Tree Physiology, 2018, vol. 38, iss. 4, pp. 630–640. DOI: 10.1093/treephys/tpx120
24. Hadži-Georgiev K., Goguŝevski М. Dvolazne tabele mass za topola klona Populus euramerican acv. I-214 u gevgeliskom području. Topola, 1972, T. XVI, No. 90, pp. 25–29.
25. Khattab S. Effect of Different Media and Growth Regulators on the in vitro Shoot Proliferation of Aspen, Hybrid Aspen and White Poplar Male Tree and Molecular Analysis of Variants in Micropropagated Plants. Life Science Journal, 2011, vol. 8, iss. 1, pp. 177–184. DOI: 10.7537/marslsj080111.25
26. Liptáková E. Chçmia a aplikâciapomocnych lâtok v drevârskom priemysle. Ed. by E. Liptáková, M. Sedliačik. Bratislava, 1989. 520 p.
27. Lloyd G., McCown B. Commercially-Feasible Micropropagation of Mountain Laurel, Kalmia latifolia by Use of Shoot Tip Culture. Combined Proceedings, International Plant Propagators’ Society, 1980, vol. 30, pp. 421–427.
28. Luoranen J., Lappi J., Zhang G., Smolander H. Field Performance of Hybrid Aspen Clones Planted in Summer. Silva Fennica, 2006, vol. 40, no 2, pp. 257–269. DOI: 10.14214/sf.342
29. Mandal A. Micropropagation of Populus tremula L.: Condition for Induction of Shoots and Roots. Scandinavian Journal of Forest Research, 1989, vol. 4, iss. 3–4, pp. 285–293. DOI: 10.1080/02827588909382566
30. Mashkina O.S., Butorina A.K., Tabatskaya T.M. Karelian Birch (Betula pendula Roth. var. carelica Мerkl.) as a Model for Studying Genetic and Epigenetic Variation Related to the Formation of Patterned Wood. Russian Journal of Genetics, 2011, vol. 47, iss. 8, pp. 951–957. DOI: 10.1134/S1022795411080126
31. Pirard R., Secco L.D., Warman R. Do Timber Plantations Contribute to Forest Conservation? Environmental Science & Policy, 2016, vol. 57, pp. 122–130. DOI: 10.1016/j.envsci.2015.12.010
32. Pozdnyakov I., Azarova A., Shestibratov K. Effect of the Volume of Production of Planting Material on the Basis of Clonal Micropropagation on the Cost Price of InvitroRooted Birch and Aspen Microplants. International Journal of Environmental & Science Education, 2016, vol. 11, no. 18, pp. 12031–12048.
33. Rahman M.H., Dayanandan S., Rajora O.P. Microsatellite DNA Markers in Populus tremuloides. Genome, 2000, vol. 43, no. 2, pp. 293–297. DOI: 10.1139/g99-134
34. Tullus A., Rytter L., Tullus T., Weih M., Tullus H. Short-Rotation Forestry with Hybrid Aspen (Populus tremula L. × P. tremuloides Michx.) in Northern Europe. Scandinavian Journal of Forest Research, 2012, vol. 27, iss. 1, pp. 10–29. DOI: 10.1080/02827581.2011.628949
35. Ulrich K., Ewald D. Breeding Triploid Aspen and Poplar Clones for Biomass Production. Silvae Genetica, 2014, vol. 63, iss. 1-6, pp. 47–58. DOI: 10.1515/sg-2014-0008
36. Zeps M., Adamovics A., Smilga J., Sisenis L. Productivity and Quality of Hybrid Aspen at the Age of 18 Years. Proceedings of the Annual 22nd International Scientific Conference “Research for Rural Development 2016”. Jelgava, Latvia, 2016, vol. 2, pp. 55–61.
37. Zeps M., Auzenbaha D., Gailis A., Treimanis A., Grinfelds U. Hibrīdapšu (Populus tremuloides × Populus tremula) klonu salīdzināšana un atlase [Evaluation and Selection of Hybrid Aspen (Populus tremuloides × Populus tremula) Clones]. Mežzinātne [Forest Science], 2008, no. 18(51), pp. 19–34.
38. Zontikov D., Zontikova S., Sergeev R., Shurgin A., Sirotina M. Micropropagation of Highly Productive Forms of Diploid and Triploid Aspen. Advanced Materials Research, 2014, vol. 962-965, pp. 681–690. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.962-965.681

Ссылка на английскую версию:

Field Trials of in vitro Propagated Aspen Clones (Populus tremula L.): Growth, Productivity, Wood Quality, and Genetic Stability

FIELD TRIALS OF IN VITRO PROPAGATED ASPEN CLONES
(Populus tremula L.): GROWTH, PRODUCTIVITY, WOOD QUALITY, AND GENETIC STABILITY

O.S. Mashkina^1,2, Candidate of Biology, Assoc. Prof.; ResearcherID: ResearcherID: H-7362-201, ORCID: 0000-0001-8252-2192
E.A. Shabanova¹, Research Scientist; ORCID: 0000-0003-3795-2702
I.N. Varivodina¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: H-9040-2017, ORCID: 0000-0002-0351-8898
T.A. Grodetskaia^1,2, Junior Research Scientist, Postgraduate Student; ResearcherID: S-8770-2019, ORCID: 0000-0002-5448-2792
¹All-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and Biotechnology, ul. Lomonosova, 105, Voronezh, 394087, Russian Federation; е-mail: mashkinaos@mail.ru, katy-green2009@yandex.ru, varivodinna@rambler.ru, tatyana.pokusina@yandex.ru
²Voronezh State University, Universitetskaya ploshchad’, 1, Voronezh, 394018, Russian Federation; е-mail: mashkinaos@mail.ru, tatyana.pokusina@yandex.ru

The widespread introduction of highly productive and rot-resistant forms and hybrids of aspen (Populus tremula L.) into the forest production is constrained by the lack of effective methods of their vegetative reproduction. Achievements of modern forest biotechnology enable in vitro cloning of economically valuable aspen genotypes and obtain planting material for plantation forest growing. The study of the manifestation features of valuable traits and genetic stability of in vitro clones propagated in the field (ex vitro) is important for the development of effective and reliable propagation methods that guarantee the preservation of the genetic and economic value of parent trees for their sustainable and targeted reproduction. The results of genetic stability evaluation, growth dynamics, productivity and wood quality of three in vitro propagated aspen clones (6/3, 15/01, and 20/4) in the field are presented. Micropropagation was carried out by direct organogenesis using hormone-free nutrient media. According to the results of 17-year field trials, clones demonstrate good growth and sufficiently high productivity of stands; preserve the growth characteristics of parent trees, showing no signs of somaclonal variability. At the age of 17, the average height of the trees was 18–20 m; the trunk diameter was 25–30 cm; the trunk volume was 0.391–0.553 m3; the timber volume was 111–227 m³/ha at trees placing 4×4 and survival rate 44–71 %. High genetic stability of clones in vitro and ex vitro was revealed based on the results of analysis of microsatellite loci, ploidy level and mixoploidy. It is shown that the triploid clone 15/01, which has high myxoploidy level, is characterized by a higher preservation and better wood quality attributes (wood density and fiber length) than diploid clones. This is probably due to the optimal balanced ratio of cells with different ploidy levels (triploid, diploid, and aneuploid), which provides the most effective expression of genes in specific environmental conditions.
For citation: Mashkina O.S., Shabanova E.A., Varivodina I.N., Grodetskaia T.A. Field Trials of in vitro Propagated Aspen Clones (Populus tremula L.): Growth, Productivity, Wood Quality, and Genetic Stability. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 6, pp. 25–38. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.6.25

Keywords: Populus tremula L., in vitro cloning, field trials, chromosomal and microsatellite analysis.

Поступила 28.03.19 / Received on March 28, 2019