В лес – из пробирки

07.11.2016

Современный подход к использованию лесов уже привел к далеко не самым благоприятным последствиям. Как минимум – увеличение плеча вывозки древесины существенно повысило стоимость древесины...

ведь транспортировка лесоматериалов – удовольствие недешевое. Есть и другие негативные стороны экстенсивной модели лесопользования, и все они связаны в первую очередь с малоэффективным лесовосстановлением. Так каким же образом можно повысить продуктивность выращивания лесов, а самое важное – на каком этапе?

Растения могут размножаться как семенным способом, так и вегетативным, т. е. напрямую от материнской особи. Процессы, происходящие при вегетативном размножении, во многом схожи с процессами регенерации, – связаны с образованием целого организма из части. Таким образом происходит прорастание новых побегов из корня либо размножение клубнями и т. д. Но об этом чуть позже, а сначала рассмотрим преимущества и недостатки обоих способов размножения.

Семенной способ
Генеративные способы размножения могут быть как половыми, к коим относится семенной, так и бесполыми, однако сложные процессы мейоза по отношению к деревьям рассматривать смысла особого нет. Полученные из семян растения могут как проявлять свойства «родителей», так и резко отличаться от них, в зависимости от различных факторов и особенностей источника генетического материала. Именно этим пользуются селекционеры, создавая морозоустойчивые, теневыносливые и другие сорта и гибриды растений. Существенным недостатком семенного способа размножения является длительность процесса и непредсказуемость результата. В естественных условиях семенной способ хорош тем, что сохраняет всевозможное разнообразие генов и создает новые комбинации, сохраняя устойчивость растений к вирусам и прочим региональным (географическим) особенностям окружающей среды. Также при семенном размножении получается значительно большее количество сеянцев, ведь каждое дерево несет в себе тысячи и даже десятки тысяч семян.

А вот недостатком является существенное увеличение длительности процесса. Зарождение, оплодотворение и прорастание семян может занимать годы. Так, к примеру, семена деревьев могут пролежать в земле в «законсервированном» состоянии до тех пор, пока окружающие условия не станут подходящими для развития молодых побегов. Нередко происходит гибель растительных семян в грунте, что также можно отнести к существенным недостаткам.

В лаборатории проводятся не только научно-исследовательские работы, но также ведется обучение студентов по направлению «Биотехнологии в сельском и лесном хозяйстве»
Вегетативный способ
Размножение за счет способности к регенерации характерно в первую очередь для растений. А иногда становится единственным способом размножения – к примеру, алоэ, фикус, монстера и некоторые другие тропические растения, попадая в условия умеренного климата, перестают давать семена. Данный способ скорее является воспроизводством, ведь в нем принимает участие лишь одна (материнская) особь. Соответственно, и гены таких растений сохраняются в полном объеме. Этот способ широко применяется для культивирования новых гибридов, увеличения «популяции» растений, созданных в ходе удачной селекции. Он характеризуется повышенной скоростью роста, что в промышленных масштабах имеет огромное значение.

Среди минусов в первую очередь можно отметить именно сохранение набора генов, а значит, и довольно узкой «региональности» таких образцов – определенный набор генов приспособлен к выживанию лишь в тех условиях, в которых произрастал материнский материал. В условиях антропогенного изменения климата, развития болезней и вирусов и метаморфоз других внешних факторов предсказать развитие вегетативно полученных растений довольно сложно.

При размножении растений семенами зачастую известен лишь один родитель – особь, с которой собирают семена, второй родитель неизвестен. То есть невозможно определить, чьи гены получит потомство – большого продуктивного и здорового растения или же чахлого и кривого дерева.


V les iz probirki 1.jpg

Микроклональное размножение деревьев
Очевидно, что семенное размножение – это производство качественного генетического материала, а уже вегетативным способом можно качество переводить в количество. Именно этим и занимаются лаборатории по микроклональному размножению. По своей сути такой вид разведения лесных культур – это вегетативное размножение «in virto», т. е. в стекле, в пробирке. Подобная лаборатория есть в Поволжском государственном технологическом университете.

Лаборатория была создана в 2009 году, ее пилотный вариант находился в Ботаническом саду ПГТУ, а в 2013 переехал в один из корпусов Волгатеха. Сейчас в стерильных лабораторных условиях осуществляется три вида деятельности. Во-первых, проводится обучение студентов в области лесной и сельскохозяйственной биотехнологии. Во-вторых, активно идут научно-исследовательские работы. И в-третьих, ведется выполнение договоров оказания высокотехнологичных услуг сторонним организациям-пользователям на оборудовании лаборатории.

Все работы ведутся с растениями, среди к оторых можно выделить несколько основных групп. Прежде всего это лесные культуры: береза, осина, ива, в отдельных случаях дуб. Выбор пал именно на эти культуры прежде всего из-за их хозяйственной ценности. Хвойные породы требуют большего внимания, они более сложные в обращении, а следовательно, и более дорогие. Помимо этого, хвойные значительно дольше растут, и пока что нет аспирантов, готовых работать с ними.

Вторая группа – это декоративные растения, которые представляют как научный интерес, так и хозяйственный. Например, сейчас совместно с ботаническим садом-институтом ведутся работы по сохранению коллекции и расширению экспозиции роз. Для ботанического сада это весьма интересно с точки зрения сохранения и увеличения коллекции, а хозяйственная ценность в том, что это культура, на которую постоянно имеется спрос. Третья же группа – это сельскохозяйственные растения, конкретнее – картофель.

Лесные культуры в лаборатории
На сегодняшний день в лаборатории ведутся работы по 10–12 клонам осины быстрорастущих форм, в том числе диплоидным, триплоидым и миксоплоидным. Как отметил Роман Сергеев, заведующий лаборатории, «кроме триплоидной осины, существуют и диплоидные формы, которые нисколько не уступают триплоидным формам осины ни в скорости роста, ни в устойчивости к заболеваниям. Кроме того, выделены даже гибриды, которые растут, может, и не на порядок, но в разы быстрее». Помимо скорости роста, отдельные формы могут отличаться и другими хозяйственно важными свойствами. Есть клоны, в которых образуется значительно меньше сердцевинной гнили. Также может варьироваться соотношение целлюлозы и лигнина, т. е. качество древесины, и производственник может выбрать тот или иной клон исходя из своих потребностей, а в последствии тратить меньше времени и средств на предварительную подготовку древесины как сырья для обеспечения технологического производства готового продукта.

Помимо осины, в лаборатории ведутся работы с 5–7 клонами березы. В работе также примерно столько же различных форм ивы. Подход тут максимально практичный. К примеру, тратить время на карельскую березу здесь не намерены, и Роман Сергеев абсолютно доходчиво объясняет, почему: «Это штучный товар, который не нужно выращивать в тех объемах, с которыми работает лаборатория. На одной из конференций мы встречались с коллегами и зашел разговор по поводу карельской березы. Я спросил, куда они ее реализуют, а в ответ услышал, что она используется в отделке интерьеров автомобилей Bentley. Я задал второй вопрос: купили ли у них производители хоть один килограмм? Нет. Тех посадок карельской березы, которые имеются на сегодняшний день, хватит на выпуск миллионов таких автомобилей. Что касается мебели, часто ли вы встречаете мебель из этой древесины? Я вот не встречал в своей жизни. Позволить себе такую мебель могут лишь единицы, т. е. это опять же штучный товар. Мы направляем свое производство на массовость. Если с нами кто-то захочет работать по карельской березе, то мы, конечно, согласимся, а заниматься ей просто ради науки – это нецелесообразно».

Жизнь растений в лаборатории
Поволжская лаборатория работает совместно с научными центрами РАН и университетами РФ. К примеру, по триплоидной осине велась работа совместно с Костромским государственным университетом им. Некрасова. Там в Шарьинском районе имеются резерваты, в которых произрастают отобранные клоны. Это элитный посадочный материал. «При том объеме, который мы имеем на сегодняшний день, мы проводим экспериментальную работу на длительную перспективу. Те клоны, которые хорошо растут на землях Подмосковья, скажем, или Татарстана, необязательно будут хорошо расти и у нас. И наоборот, не факт, что у нас в Марий Эл будут плохо себя чувствовать клоны, плохо растущие там. Именно этим обуславливается такое количество генотипов, с которыми мы работаем», – отметил Роман.

В лаборатории имеется стерильная комната с ламинарными боксами, т. е. чистыми помещениями с особым образом очищенным воздухом, двигающимся от потолка к полу ламинарным потоком (без завихрений, перемешиваний), что не позволяет частицам пыли, грязи, спорам и микроорганизмам разлетаться во все стороны. В этих боксах осуществляются все основные работы с генетически ценным материалом растений. Тут фрагменты растений помещают в специальные сосуды, заполненные питательным раствором, которые затем переносятся в культуральную комнату для дальнейшего роста и развития.

Питательный раствор – это первый опытный объект, изменение состава которого может существенно повлиять на развитие растения. Если не вдаваться в подробности, то в процессе подбора оптимального состава питательной смеси преследуется одна из двух целей: уменьшить затраты на производство (удешевить питательный раствор) либо, не уменьшая затрат, повысить эффективность (заменить какой-то компонент, добавить фитогормон или еще что-то, чтобы ускорить рост).

Одним из уже преодоленных этапов стала сезонность. Теперь растения в зимний период не уходят в состояние покоя, а могут спокойно расти в культуральной комнате, что позволяет значительно ускорить темп размножения. Вдобавок к этому в лабораторных условиях можно создавать оптимальное соотношение дня и ночи, так называемый фотопериод, что, само собой, также влияет на скорость роста молодых деревьев. Для выращиваемых в ПГТУ культур такой период составляет 16 часов дня и 8 часов ночи.

Жизнь после пробирки
На этапе переведения растений из стерильных условий в кассеты с почвой очень важно поддерживать оптимальный температурный режим (23–25 градусов). На цокольном этаже лаборатории находится старое бомбоубежище, которое идеально подходит для поддержания необходимых условий, так как оно термостабильно. Как ни странно, бороться в лаборатории приходится именно с теплом, так как используемые лампы довольно сильно греются. При понижении температуры растения просто начнут медленнее расти, температурный излишек, в свою очередь, губителен – культуры могут просто свариться, так что кондиционеры работают круглый год именно на охлаждение.

При пересадке растений из питательного раствора в почву важно отмыть корни – в почве находится большое количество различных микроорганизмов, которые в питательной среде очень быстро размножаются и не дают развиться дереву.

Когда растения достигают 20–25 см в высоту, кассеты переводят уже на полигоны доращивания. Тут молодые деревья развиваются в двух стадиях. Первоначальный этап – это тепличное выращивание, следующий – перенос в открытый грунт. В теплицы кассеты переводят весной, и, как только проходит опасность заморозков, начинается вторая фаза. Перевод в открытый грунт очень важен, так как тут происходит адаптация растений к новым условиям роста, максимально близким к реальным. К моменту высадки растения могут иметь уже до 30–50 см, а отдельные генотипы достигают 1,8–2 м! Ну и конечно, поскольку этот материал является элитным, все посадки проводятся с закрытой корневой системой.

Разведение различных генотипов помогает и в хозяйственном отношении. При выборе посадочного материала заказчик может посмотреть, какой результат дает та или иная форма растения. При этом результат можно увидеть на любых этапах, от лаборатории до открытого грунта. В 2014 году на территории учебно-опытного лесхоза было посажено порядка гектара культур, созданных в лаборатории, а в 2015-м было высажено еще около 40 га в лесничествах Республики Марий Эл.

Таким образом, спорить, какой способ размножения лучше, семенной или вегетативный, – смысла нет. У каждого есть свои преимущества и недостатки. С точки зрения науки, разные способы разведения преследуют различные цели. Так, при использовании семян можно проводить селекцию и создавать наиболее устойчивые и качественные формы. Размножение вегетативное, или в нашем случае микроклональное, – позволяет сократить сроки получения результата и нахождения оптимальных условий роста. Так что оба способа должны использоваться сообща, тогда качество перейдет в количество при минимальной затрате времени и средств, а не это ли идеал?

Александра Романова
Кирилл Веревочкин

Актуальные темы свежего номера
Лесопользование
Технологии лесозаготовок
События