Селекция методом культуры клеточных тканей и клеток

Введение культуры клеточных тканей и клеток (метод in vitro) может способствовать созданию лучших сортов, более быстрому использованию ценного материала и уникальных форм. В стериль­ную культуру тканей и клеток в принципе возможен перевод всех частей растений, однако для исследований в области селекции имеет значение культура только таких органов, в которых можно индуци­ровать органогенез. К ним можно отнести верхушки побегов (апи­кальная меристема и дифференцированные ткани побега); цветко­вые почки, завязи, семяпочки; пыльники, пыльца; зародыш; клет­ки; ткань каллуса.

Применение метода охватывает следующие этапы работы: вы­бор подходящего для решения поставленной задачи сорта (геноти­па) и нужной части растения для закладки культуры; закладка сте­рильной культуры; создание условий (питательная смесь, темпера­тура, освещение и др.) для стимуляции желательного процесса раз­вития; регенерация жизнеспособных растений; перевод отобранных для селекции растений в грунтовую культуру для включенияих в дальнейший селекционный процесс.

Задачи, решаемые этим методом в селекции, можно сгруппиро­вать в три взаимно связанные группы: 1) расширение генетической базы селекции растений путем получения нового исходного мате­риала; 2) сохранение и размножение ценных элитных растений и линий; 3) получение и сохранение безвирусного материала расте­ний. Ниже перечислены некоторые конкретные методы, которые можно использовать для решения этих задач.

Расширение генетической базы для селекции растений. Обычные методы селекции, основанные на внутривидовой гибридизации и отборе, как правило, ведут к обеднению генетической изменчивости и сужению генетической базы, что влечет за собой потерю ус­тойчивости создаваемых генотипов и их популяций. Эффективность селекции в будущем можно обеспечить только путем постоянного расширения ее генетической базы, что можно осуществить метода­ми культуры тканей и клеток. Для этого используют методы сома­тической межвидовой гибридизации, оплодотворения и эмбрио-культуры, культуры пыльников, пыльцы и отдельных клеток in vitro и сомаклональной селекции.

Сохранение и размножение in vitro ценных элитных растений и линий применяется с целью получения генетически идентичных клонов. При этом обеспечивается:

• сохранение и размножение отдельных генотипов как исход­ных форм для решения специфических селекционных задач;

• быстрое эффективное размножение новых ценных сортов;

• сохранение и эффективное размножение линий для произ­водства гибридных семян растений;

• экономичное размножение высокопродуктивных генотипов лесных пород, декоративных древесных растений и подвоев плодо­вых культур;

• размножение в стерильных условиях при получении безви­русного материала;

• сохранение сортимента вегетативно размножающихся куль­тур и важнейших перекрестноопыляющихся растений.

Для осуществления этих задач используются методы клонирования на основе меристем верхушек побегов в стерильных услови­ях, а также регенерации жизнеспособных растений из других орга­нов (стеблей, кусочков листа, органов цветка, луковиц и др.).

Получение и сохранение безвирусного материала. Эти методы по­лучили распространение в практике сельского хозяйства для осво­бождения от вирусов вегетативно размножаемых растений. Уста­новлено, что концентрация вирусов в растении снижается по мере приближения к конусу нарастания. Сам конус нарастания часто бывает свободным от вирусной инфекции. Это и было использова­но для оздоровления материала путем изолирования меристемы в стерильных условиях и доведения ее до дифференциации in vitro. Изоляция меристемы размером 0,05-0,1 мм очень сложна. И успех дифференциации растений из нее невелик. Поэтому вместе с ней изолируют первые листовые примордии и тогда говорят о верхушке побега, которая имеет размер 0,1-1 мм. Благодаря этому хотя и ог­раничивается надежность получения безвирусного материала, но зато повышается степень его дифференциации. Кроме того метод становится удобным для практического использования. Культивирование производят на питательных средах Мурасиге и Скуга (см. табл. 10.1), Байса, Уайта и Хеллера.

Кратко рассмотренные в настоящем разделе методы широко рас­пространены в мире и продолжают совершенствоваться. Так,понекоторым данным (Г.П. Бутова, 1995 и др.), к началу 90-х годов в 15 странах Европейского сообщества работало более 250 лаборато­рий культуры in vitro, из которых примерно половина в коммерчес­ких целях. Из 550 возделываемых in vitro видов значительное коли­чество составляли древесные и кустарниковые. При этом розой за­нимались в 45 лабораториях, рододендроном — в 25, березой — в 19, дубом — в 18, тополем — в 12, сосной и елью — в 15.

В США насчитывается 270 промышленных лабораторий, в том числе и по древесным породам. В середине 80-х продукция расте­ний, размноженная методом культуры тканей, составила: 50 млн. штук в США, 53 млн. штук в Голландии, 10 млн. штук в ФРГ, около 28 млн. штук в Италии.

В бывшем СССР и в России получением селекционного матери­ала этими методами успешно занимались ряд научных лаборато­рий Москвы, Санкт-Петербурга, Воронежа, Уфы, Мичуринска и др. Однако в последние годы масштабы исследований сократились, хотя перспективность их остается несомненной.

В целом, культура тканей предоставляет новые возможности для повышения эффективности селекции растений. Кроме того, с ее помощью можно создавать новые ценныесорта.

* *

Методы селекции лесных древесных пород, описанные в настоя­щей главе, начали развиваться относительно недавно. Поэтому они и названы в отличие от отбора и гибридизации, нетрадиционными. Стартовые исследования для части из них были начаты в первой половине XX века, но основные успехи достигнуты во второй поло­вине этого века. В последние годы получила развитие идея сочетания традиционных и нетрадиционных методов для более успешного вы­ведения хозяйственно ценных форм.

Однако, несмотря на прогресс селекции, достигаемый этими ме­тодами, широкому их практическому использованию препятствует ряд проблем. Они заключаются в том, что эти методы довольно до­рогие, требуют специально оборудованных лабораторий, приборов и расходных материалов. Кроме того, как и для новых гибридов и от­дельно отобранных лучших деревьев, существуют трудности массо­вого размножения ценных форм трудно черенкующихся видов. С другой стороны, использование метода культурыклеток и клеточных тканей позволит преодолеть и этот барьер. Например, успешные опыты по клеточной репродукции дуба проведены во Франции. По­этому необходимы более активные усилия по разработке методов вегетативного и клонального микроразмножения трудно черенкую­щихся форм лесных древесных пород.

Одним из способов преодаления проблемы является также создание биклоновых семенных плантаций из диплоидных и тетраплоидных растений с целью получения хозяйственно ценных триплоидных форм. В будущем возможна разработка и других эффективных методов сохранания и размножения ценных генотипов лесных древесных пород, выведенных нетрадиционными методами селекции.

Вопросы для самопроверки

1. Охарактеризуйте виды мутаций, используемые в селекции.

2. Что такое полиплоидия и её возможности в селекции лесных древесных пород?

3. Дайте краткую характеристику метода культуры тканей и его использования в селекции лесных древесных пород.

4. Покажите возможности и направления экспериментального мутагенеза.

5. Опишите физические методы получения мутантов, ионизирующие и неиони­зирующие излучения.

6. Приведите результаты, полученные у лесных древесных пород при использо­вании физических методов мутагенеза.

7. Охарактеризуйте химические методы получения мутантов, приведите класси­фикацию мутагенов и результаты их применения у лесных древесных пород.

8. Опишите экспериментальную полиплоидию лесных древесных пород. Приве­дите характеристики митотического, мейотического и зиготического методов получения полиплоидов.

9. Что такое спонтанные и индуцированные полиплоиды лесных древесных по­род? Приведите примеры.

10. Охарактеризуйте селекцию методом культуры клеток и клеточных тканей in vitro:

этапы, задачи и методы.

11. Приведите некоторые результаты использования методов культуры тканей у лесных древесных пород.

12. Укажите основные проблемы практического использования нетрадиционных методов селекции и пути их преодоления.