Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Современное состояние и перспективы сохранения и воспроизводства селекционно-генетических ресурсов дуба черешчатого в Республике Марий Эл

ВАК РФ 06.03.01, Лесные культуры, селекция, семеноводство

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Стародубцева, Вероника Валерьевна, Екатеринбург

^ , , , ....... Л / .,# г -л

На правах рукописи

СТАРОДУБЦЕВА Вероника Валерьевна

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОХРАНЕНИЯ И ВОСПРОИЗВОДСТВА СЕЛЕКЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО В РЕСПУБЛИКЕ МАРИЙ ЭЛ

06.03.01 - «Лесные культуры, селекция, семеноводство»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Александр Степанович Яковлев, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Иван Алексеевич Алексеев

Екатеринбург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................................................................................................4

Глава 1. Состояние и изученность генетических ресурсов дуба

черешчатого и сохранение генофонда (обзор).......................... 9

1.1. Внутривидовая изменчивость фенотипических признаков дуба черешчатого..........................................................................................................................................9

1.2. Исследование популяций древесных растений методом изоферментного анализа..............................................................................................................17

1.3. Клональное микроразмножение древесных растений in vitro................29

1.4. Деградация и усыхание дубрав в мире..........................................................................44

Глава 2. Программа и методика исследований........................................................................50

2.1. Методика проведения полевых работ..........................................................................51

2.2. Методика изоферментного анализа................................................................................52

2.3. Методика микроклонального размножения дуба черешчатого..............58

Глава 3 Естественно-исторические условия района исследования..........................61

3.1. Географическое положение и рельеф............................................................................61

3.2. Климат........................................................................................................................................................62

3.3. Гидрография и гидрология .............................................................................................66

3.4. Геологическое строение почвы..............................................................................................67

3.5. Растительность...................................................................................................70

3.6. Природные районы....................................................................................................................73

Глава 4. Корабельные дубравы Республики Марий Эл, история и

современное состояние............................................................................................................75

4.1. Краткая история выделения корабельных рощ на территории Республики Марий Эл..................................................................................................................75

4.2. Современное местонахождение и сохранность бывших корабельных дубовых рощ........................................................................................................78

4.3. Современное состояние насаждений на территории бывших корабельных дубрав..............................................................................................................83

Глава 5. Генетическая структура популяций дуба черешчатого Респубики

Марий Эл..............................................................................................................................................116

5.1. Генетическая изменчивость популяций дуба черешчатого........................117

5.2. Оценка популяционной структуры дуба черешчатого..................................119

5.3.Сравнительный анализ генетической изменчивости популяций

дуба черешчатого в пределах его ареала в Европе............................................123

Глава 6. Разработка методики микроклонального размножения дуба

черешчатого..........................................................................................................................................127

6.1. Влияние типа и состава питательных сред на мультипликацию побегов дуба............................................................................................................................................128

6.2. Влияние микроэлементов на развитие и укоренение эксплантов

дуба.................................................................................................................................................131

6.3. Выводы......................................................................................................................................................134

Глава 7. Пути сохранения и восстановления генетических ресурсов дуба

черешчатого в Республике Марий Эл........................................................................136

7.1. Сохранение генетических ресурсов дуба черешчатого in situ..................137

7.2. Сохранение генетических ресурсов дуба черешчатого ex situ................144

Выводы....................................................................................................................................................................................................................................148

Заключение........................................................................................................................................................................................................................151

Список использованной литературы..................................................................................................152

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Дуб черепгчатый (Оиегсш гоЬиг Ь.) - одна из основных лесо-образующих пород Республики Марий Эл. Занимая площадь 9,4 тыс. га, эти насаждения являются не только источником ценнейшей дубовой древесины, но и выполняют незаменимые водоохранные, защитные, рекреационные функции. Ни с экологической, ни с экономической точки зрения они не могут быть заменены никакой другой породой, а какие-либо изменения в его перспективном участии не обоснованы.

Вследствие протекающих в последние годы процессов деградации и усыхания дубовых насаждений, снижения их продуктивности и устойчивости, сокращения площадей, проблема невосполнимого истощения генетических ресурсов этой породы и потери ценнейшего генофонда республики встает с особой остротой. Поэтому актуальной является проблема сохранения и воспроизводства генетических ресурсов дуба черешчатого с использованием новейших достижений лесоводственной науки, генетики и биотехнологии.

Использование технологии микроклонального размножение дуба черешчатого дает новые возможности решения проблемы сохранения выбранных генетически ценных конкретных фенотипов дуба, не принимая в расчет ограниченную возможность генеративного размножения (вследствие низкой семенной продуктивности дуба), периодичность урожайных лет, снижение морфогенетического потенциала с возрастом, заявляя о себе, как эффективный и действенный метод массового размножения посадочного материала дуба черешчатого, свободного от источников инфекции.

Цель и задачи исследований. Основной целью работы является разработка мероприятий по сохранению и воспроизводству генетических ресурсов дуба черешчатого в Республике Марий Эл. В соответствии с поставленной целью, задачи исследований состояли в следующем:

1. Изучить историю выделения и ведения хозяйства в корабельных дубовых рощах на территории Республики Марий Эл. На основе архивных и картографических мате-

риалов определить местоположение бывших корабельных рощ, выяснить их сохранность.

2. Изучить современное санитарное состояние дубрав и развитие процессов усыхания дуба черешчатого в нашей стране и за рубежом, составить прогнозные характеристики.

3. Изучить генетическую структуру популяций дуба левобережья Республики Марий Эл.

4. Разработать методику регенерации дуба в условиях in vitro. Исследовать внутренние и внешние факторы, влияющие на регенерацию дуба черешчатого в условиях in vitro.

5. Разработать систему мероприятий по сохранению и воспроизводству генетических

ресурсов дуба черешчатого. Научная новизна. Впервые достаточно подробно и детально изучена история

выделения корабельных дубовых рощ на территории Республики Марий Эл и способы ведения хозяйства в них. Установлено современное местоположение, сохранность, санитарное состояние этих насаждений и возможность их использования в селекционной работе.

Впервые была изучена генетическая структура популяций дуба черешчатого в левобережной части Республики Марий Эл с помощью изоферментного анализа.

Освоена методика микроклонального размножения дуба черешчатого in vitro и последующего укоренения полученных побегов, изучены факторы, влияющие на успешность размножения первичных эксплантов. Разработана методика, значительно увеличивающая возможность получения селекционно-улучшенного посадочного материала и обеспечивающая сохранение генофонда дуба черешчатого Республики Марий Эл путем консервации in vitro.

Практическая ценность. На основании изучения истории выделения дубовых корабельных рощ установлено их местоположение, оценена сохранность и современное санитарное состояние насаждений дуба на этих площадях. Выявлен ход разрушения древостоев с участием дуба по группам причин. Определены параметры отпада для семенных, порослевых и искусственно созданных дубрав.

Полученные результаты по изучению генетической структуры дубрав левобережья Марий Эл рекомендуются для использования при разработке программ сохранения генофонда дуба республики.

Разработанный и опробованный метод микроклонального размножения дуба че-решчатого in vitro имеет, по сравнению с традиционными методами размножения (желудями, черенками и т.д.), такие преимущества, как скорость и коэффициент размножения, получение посадочного материала свободного от источников инфекции, возможность длительного сохранения тканей, пыльцы, соматических эмбрионов дуба, что значительно увеличивает количество известных способов сохранения генофонда дубрав на качественно более высоком уровне.

На основе результатов исследований подготовлены рекомендации по сохранению и воспроизводству генетических ресурсов дуба черешчатого в Республике Марий Эл, создается лесосеменная плантация дуба.

Личное участие автора. Сбор и изучение архивных материалов был проведен совместно с научным соруководителем, проф. A.C. Яковлевым. Изоферментный анализ проводился во время научной стажировки на кафедре фитологии Технического университета города Зволен (Словакия) совместно с заведующим кафедры, проф. Л. Пауле, доц. Д. Гомори, доц. И.А. Яковлевым (МарГТУ, Россия). Отработка методики микроклонального размножения дуба черешчатого проводилась совместно с инженером Я. Дюрковичем (Словакия).

По изоферментному анализу лично автором проводилась подготовка и закладка образцов на анализ, статистическая обработка и анализ данных изоэнзимограмм, написание выводов. По культуре in vitro: сбор желудей, стерилизация материала, приготовление питательных сред, закладка культуры и их культивация, анализ и обработка данных, написание выводов.

Закладка лесосеменной плантации была проведена под руководством проф. A.C. Яковлева, совместно с работниками Козьмодемьянского лесхоза. Лично автором произведен посев желудей по феноформам в питомнике Учебно-опытного лесхоза, а также сбор, обработка исходных данных и анализ полученного материала исследова-

ний, формулировка научных выводов. Лесопатологическое обследование пробных площадей проводилось совместно с проф. И.А. Алексеевым.

Обоснованность результатов и достоверность выводов подтверждается достаточно большим объемом экспериментальных данных, полученных при проведении исследований в естественных насаждениях и лесных культурах дуба, а также при проведении лабораторных анализов (изоферментный анализ и микроклональное размножение). Для изучения состояния дубрав было заложено 22 постоянные пробные площади. Для сбора образцов для изоферментного анализа было заложено пять временных пробных площадей. Всего были собраны образцы с 258 деревьев, проведено 3096 анализов. Для микроразмножения in vitro были собраны желуди с 5 деревьев, и заложено 520 первичных эксплантов на питательные среды. Обработка исходных данных на ЭВМ с помощью стандартных программ, позволяет повысить точность вычислений и избежать ошибок, связанных с необходимостью обработки очень большого количества цифрового материала.

Апробация и публикация работ. Основные положения и результаты исследований докладывались: 1) на заседаниях кафедры лесных культур Map ГТУ и кафедры фитологии Технического университета Зволена (1997-1998); 2) на ежегодных научно-технических конференциях МарГТУ по итогам научно-исследовательских работ за 1994-1998 гг. и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Восстановление, выращивание и комплексное использование сосновых лесов России» (Йошкар-Ола, 1995), «Интенсификация выращивания лесопосадочного материала», (Йошкар-Ола, 1996 г.).

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, 5 принято в печать .

На защиту выносятся:

1. Анализ сохранности и данные современного состояния бывших корабельных дубовых рощ в Республики Марий Эл.

2. Оценка генетической изменчивости популяций дуба черешчатого в левобережной части Республики Марий Эл.

3. Методика совершенствования микроклонального размножения in vitro дуба че-решчатого (регенерация дуба в условиях in vitro).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 178 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка использованной литературы из 320 наименований, в том числе 148 зарубежных источников. В работе приводится 42 таблицы и 6 рисунков.

1. СОСТОЯНИЕ И ИЗУЧЕННОСТЬ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ДУБА ЧЕРЕШЧАТОГО И СОХРАНЕНИЕ

ГЕНОФОНДА (ОБЗОР)

1.1. Внутривидовая изменчивость фенотипических признаков дуба черешчатого

1.1.1. Климатические формы дуба

Многочисленные исследования показали, что в пределах своего ареала дуб под влиянием разнообразных климатических условий произрастания образует климатические формы. В основу их выделения положены исследования географических культур. Первые географические культуры дуба в 1877 г. были заложены в Германии Киницем. Э. Ромедер и Г. Шенбах (1962), обобщая данные исследований, пришли к выводам о характере различии по продуктивности, ритму роста, форме ствола и кроны, фенологии, устойчивости к болезням. Климатипы из районов с теплым морским климатом менее морозоустойчивы, более склонны к образованию водяных побегов и поражению мучнистой росой.

В России первые географические культуры дуба были заложены В.В. Огиевским в 1910-1916 гг. в «Тульских засеках». В 1950 г. такие культуры закладываются в Шиповом лесу М. М. Вересиным; в 1951-1954 гг. под руководством А. С. Яблокова в Московской обл. (Пушкинский опытно-показательный лесхоз), Башкирской АССР (Давлекановский лесхоз), Воронежской обл. (Воронцовский лесхоз), Краснодарском крае (Армавирский лесхоз) и Калмыцкой АССР (Элистинский лесхоз); в 1954-1958 гг. в Курской обл. (Центрально-Черноземный заповедник) А. М. Шутяевым; в 1964 г. в Винницком лесхоззаге Д. Д. Лавриненко; в 1967 г. в Велико-Анадольском лесхозе В. Б. Лукьянцем; в 1975г. в Краснодарском крае и Дагестанской АССР Л. М. Зубаревой. В 1977-1978 гг. по единой союзной методике создается сеть географических культур (21 участок), охватывающая весь ареал дуба в СССР.

Некоторые весьма важные экотипические особенности дуба черешчатого северовосточной части ареала, имеющие биологическое и хозяйственное значение также были изучены методом географических культур. Например, популяции дуба, взятые из Республики Марий Эл, попадая в другие природно-климатические районы, сохраняют ряд специфических генетически обусловленных черт - прежде всего, определенную ритмику жизненных процессов, а также некоторые анатомо-морфологические и физиолого-биохимические особенности, так как на северном пределе ареала у дуба выработались свойства, существенно отличающие его от дуба центральной полосы и других районов (А. Яковлев, 1980). На основании исследований географических и экологических культур было разработано несколько схем лесосеменного районирования дуба.

М.М. Вересин (1960) выделил в европейской части России пять географических форм дуба черешчатого и соответственно 5 лесосеменных районов: западная - Белоруссия и большая часть Украины; центральная-Калужская, Тульская, Рязанская и Горьковская области, Республика Чувашия; восточная-Республика Татарстан, Республика Башкортастан, Куйбышевская обл.; юго-восточная- главным образом островные дубравы Курской, Воронежской, Саратовской, Пензенской областей; северная-северная часть ареала севернее Москвы. Использовать желуди М.М. Вересин рекомендует главным образом в пределах выделенных районов.

В настоящее время составлено лесосеменное районирование дуба черешчатого для всего ареала этой породы с учетом результатов исследований географических культур последних лет. На территории бывшего СССР выделено 33 географических климатипа дуба: ленинградско-вологодский, вологодско-пермский, псковско-новго-родский, ярославско-горьковский, удмуртско-марийский, калининградский, латвийско-литовский, восточно-белорусский, калужско-горьковский, чувашско-татарский, башкирский, красноуфимский, припятско-неманский, карпатский, прикарпатский лесостепной, приднепровский, курско-воронежский, тамбовско-мордовский, заволжский степной, днепровский степной, приволжско-донской, предкавказский, крымский, белолабинский (Краснодарский), терский (центрально-кавказский), дагестанский, заволжский лесостепной, приволжский, закарпатский, анапо-пшиш-

ский, сочинский, колхидский, куро-лазаньский. Лесосеменное районирование уточнено в исследованиях A.M. Шутяева (1989).

Основные п