Род Chrysanthemum L. на юге российского Дальнего Востока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Род Chrysanthemum L. на юге российского Дальнего Востока

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Хризантема садовая (Chrysanthemum x hortorum Bailey) - новая в России и весьма востребованная осеннецветущая культура для садово-паркового оформления и использования на срез, отличается продолжительным, обильным и красочным цветением. До настоящего времени работы по интродукции хризантемы садовой в условиях юга российского Дальнего Востока (рДВ) не проводились, не изучался в естественных местообитаниях и не привлекался в культуру природный фонд Chrysanthemum. Тогда как дикорастущие дальневосточные виды рода, сформированные на территории с уникальными почвенно-климатическими условиями, представляют благодатный источник для культивирования и резерв ценных генов, недостающих существующим сортам хризантемы садовой. Многие виды рода Chrysanthemum отечественной природной флоры являются редкими и кроме, как на юге Дальнего Востока, нигде больше на территории России не произрастают. Близость Дальневосточного региона к генетическому Китайско-Японскому очагу происхождения культурных растений и центру видового разнообразия рода, представительство видов Chrysanthemum во флоре рДВ, возможность выявления ценных рецессивных признаков на периферии ареала и необходимость введения генов экологической устойчивости в сорта хризантемы садовой, определили тему работы.

Настоящее исследование по изучению и использованию генетических ресурсов Chrysanthemum методами интродукции и селекции является актуальным и служит дополнительным вкладом в Стратегию Международного Союза ботанических садов по сохранению мирового биоразнообразия (Стратегия …, 1994, 2003; Андреев, Горбунов, 2003; Горбатенко, 2003; Смекалова и др., 2003, 2007) не только на региональном уровне: оно преследует сохранение национального генофонда рода Chrysanthemum, представленного изолированными локальными популяциям на юге рДВ.

Цель. Выявить адаптационные возможности представителей культурной и природной флоры рода Chrysanthemum в условиях муссонного климата юга российского Дальнего Востока и предложить эффективные приемы сохранения генофонда и совершенствования отечественного сортимента хризантемы садовой. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать интродукционные возможности сорто - и видообразцов рода Chrysanthemum на юге рДВ, провести сравнительное изучение сортов, видов, гибридов и дать им комплексную оценку.

2. Изучить онтогенетические особенности и оценить ресурсы изменчивости природных и интродукционных популяций с целью совершенствования мер охраны редких и находящихся на пределе распространения видов рода Chrysanthemum на российской территории.

3. Сформировать коллекцию родового комплекса Chrysanthemum на территории Ботанического сада-института ДВО РАН (БСИ).

4. Выявить степень генетической близости географически разобщенных видов и сортов Chrysanthemum с использованием биоморфологического, онтогенетического и селекционно-генетического анализа.

5. Определить эффективность селекционных методов для сохранения в новых гибридных формах адаптивных признаков.

6. Выявить источники экологической устойчивости и создать комплексно адаптированные доноры на новой генетической основе.

7. Создать экологичные гибриды и сорта хризантемы садовой для южных районов рДВ.

8. Предложить рекомендации для программы сохранения отечественного генофонда Chrysanthemum.

Защищаемые положения.

1. Адаптационный потенциал интродуцированных сортов хризантемы садовой и реализация его в условиях юга рДВ (Приморский край) делает возможным введение новой культуры в региональный ассортимент цветочно-декоративных растений и убеждает в необходимости селекционной проработки в направлении повышения общей экологической устойчивости.

2. Территория юга российского Дальнего Востока является хранителем уникального природного генофонда видов рода Chrysanthemum, обладающего богатым селекционно-генетическим потенциалом для повышения адаптивности хризантемы садовой.

Научная новизна. Впервые на российском Дальнем Востоке сформирован фрагмент родового комплекса Chrysanthemum. В условиях муссонного климата на региональном и интродуцированном материале проведены комплексные исследования представителей 20 видов и форм, 50 сортов рода Chrysanthemum. Впервые выявлены ресурсы популяционной изменчивости дальневосточных видов Chrysanthemum в природе и культуре, уточнен статус их редкости. Дана оценка результатам интродукции и перспективности использования сортов и видов хризантемы садовой в озеленении и селекции. Впервые проведен сравнительный биоморфологический и онтогенетический анализ видов Chrysanthemum разного географического происхождения. Обозначены генетические связи изученных видов и сортов. Показано, что уникальность дальневосточного генофонда Chrysanthemum определяется составом из тетраплоидных и гексаплоидных, филогенетически молодых видов хризантем, геномы которых могут быть использованы для реконструкции генетической основы также гексаплоидных сортов при совершенствовании отечественного сортимента хризантемы садовой. Впервые в России проведены исследования по изучению наследования признака устойчивости хризантемы к Puccinia horiana. В результате мониторинга коллекции БСИ впервые выявлены биотипы-источники генов устойчивости к Puccinia horiana среди сортов и комплексные источники невосприимчивости к болезням и зимостойкости среди видов Chrysanthemum. Установлен феномен высокой комплексной адаптивности растений в популяциях C. coreanum, отдельных биотипов C. naktongense, C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum. Впервые в отечественной селекционной практике получены сортовидовые гибриды F₁, гибриды первого беккроссного поколения F₂B₁ на основе видов маньчжурской флоры (C. naktongense, C. coreanum, C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum) и их гибридно-инбредное потомство, являющееся качественно новым генетическим материалом с высоким уровнем адаптации. Впервые для условий России предложена модель сорта хризантемы садовой адаптивного типа и разработана схема селекционного процесса для реализации этой модели. Новизна исследований подтверждена 21 авторскими свидетельствами и 15 патентами на сорта хризантемы садовой.

Теоретическая и практическая значимость, реализация результатов исследований. На основе созданной автором коллекции рода Chrysanthemum разработана технология возделывания хризантемы садовой в условиях субрегиона. Коллекция рода Chrysanthemum БСИ ДВО РАН, являясь первой и пока единственной на российском Дальнем Востоке, служит наглядной демонстрацией достижений многолетней селекционной деятельности по созданию культурных сортов хризантемы от ее диких родичей. Популяционные исследования на примере C. coreanum и C. naktongense вносят дополнительный вклад в изучение биологического разнообразия растений на юге рДВ, предлагают пути сохранения видов рода методами ex situ. Филогенетические отношения между видами, черты репродуктивной изоляции отдельных видов, существование барьеров, препятствующих самосовместимости, являются моделью видообразовательных процессов и представляют значительный интерес с точки зрения эволюционной биоморфологии и таксономии.

Экспериментально доказана перспективность использования комплекса методов интродукции и селекции для сохранения ценных генов у хризантемы садовой. Выявленные источники и доноры адаптивных признаков и полученные автором гибридные формы на новой генетической основе устойчивы к патогенам и зимостойки в условиях муссонного климата. Авторские сорта хризантемы садовой (Мазурка, Ярославна, Дальневосточница, Сударушка) высокодекоративны, пригодны для экологичных технологий возделывания. Новые сорта и гибриды с моногенной устойчивостью к белой ржавчине не требуют применения дорогостоящих фунгицидов и, следовательно, экономически эффективны. В результате многолетних исследований отобраны и рекомендованы для дальнейшего использования в селекции 16 сортовидовых, 59 многокомпонентных сортовидовых гибридов, 19 беккроссов, 24 инбредов и сибсов, 26 гибридно-инбредных, 46 межвидовых и межгибридных форм. К сдаче в госсортоиспытание готовятся 2 новых сорта - Комплимент (селекционный № 88-66-1) и Северная Пацифика (селекционный № 07-320). Они отличаются невосприимчивостью к белой ржавчине, относительной зимостойкостью, интенсивностью вегетативного размножения, высокой декоративностью. На основе многолетних экспериментальных исследований разработана модель сорта хризантемы садовой и установлена целесообразность и необходимость селекционной работы в условиях субрегиона. Посадочный материал дальневосточных видов и сортов Chrysanthemum селекции БСИ передан в ботанические и сельскохозяйственные научные учреждения России. Предложены меры по сохранению генетических ресурсов Chrysanthemum ex situ.

Связь работы с научными программами. Представленная работа выполнена в лаборатории интродукции и селекции цветочно-декоративных растений БСИ ДВО РАН в рамках тем института: 1986-1990 гг.: «Разработка вопросов ведения зеленого хозяйства на урбанизированных территориях Приморского края», 1991-1995 гг.: «Изучение перспективных для зеленого строительства цветочно-декоративных растений»; 1996-2000 гг.: «Разработка основ интродукции и селекции цветочно-декоративных растений на юге Приморского края»; 2001-2005 гг.: «Разработка методов сохранения и изучения биоразнообразия декоративных травянистых многолетников»; 2004-2006 гг.: «Разработка эффективных методов интродукции и селекции декоративных растений в условиях муссонного климата южного Приморья»; 2007-2009 гг.: «Разработка биологических основ адаптации и устойчивости растений в условиях муссонного климата юга Дальнего Востока».

Конкретное участие автора. Настоящая работа является обобщением результатов 24-летних исследований автора (1986-2009гг.). Автором самостоятельно определена проблема и намечено направление исследований, сформирована коллекция рода Chrysanthemum на территории БСИ. Проведены экспедиционные работы в 2004-2008 гг. в Дальневосточном регионе (Приморский край, Амурская обл.), в процессе которых обозначены географические координаты популяций видов Chrysanthemum, собран семенной материал и выполнены морфометрические исследования. Автором разработана программа региональной селекции хризантемы садовой и осуществлены селекционно-генетические исследования. В работе частично использованы результаты совместных исследований, проведенных в рамках планов НИР лаборатории интродукции и селекции цветочно-декоративных растений БСИ.

Апробация работы. Результаты исследований представлены на научной конференции «Природоохранные территории и акватории Дальнего Востока и проблемы сохранения биологического биоразнообразия» (Владивосток, 1994), Международных научных конференциях, посвященных 50-летию Ботанического сада-института ДВО РАН «Растения в муссонном климате» (Владивосток, 1998), 75-летию Дальневосточной опытной станции ВНИИР «Генетические ресурсы растениеводства Дальнего Востока» (Владивосток, 2004), «Цветоводство сегодня и завтра» (Москва, 1998), «Mendel Centenary Congress» (Brno, 2000), VII и VIII Международных симпозиумах «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2007; Мичуринск, 2008), Четвертой Международной конференции «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (С.-Пб., 2007), Международной Школе-конференции «Генетика и селекция растений, основанная на современных генетических знаниях и технологиях» (Звенигород, 2008), XX International Congress of Genetics (Berlin, 2008), Международной конференции «Ботанические сады в 21 веке: сохранение биоразнообразия, стратегия развития и инновационные решения» (Белгород, 2009), VIII Междунар. конф. по морфологии растений (Москва, 2009), 5 Съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (Москва, 2009), расширенных заседаниях Ученого совета БСИ (Владивосток, 2000, 2004, 2009).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 40 статьях, в том числе 14, рекомендованных ВАК. Получено 21 авторское свидетельство, 15 патентов на новые сорта.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, рекомендаций и 7 приложений. Содержание изложено на 318 страницах, включает 69 таблиц, 73 рисунка. Список литературы составляет 466 источников, в том числе 123 - на иностранных языках.

Благодарности. Работа частично поддержана региональным грантом РФФИ 09-04-98526-р_восток_а 2009-2011гг.

Автор выражает искреннюю признательность за содействие и поддержку в работе директору БСИ ДВО РАН д.б.н. проф. А.В. Галанину, к.б.н. В.В. Коцерубе, к.б.н. Н.В. Лабецкой, Т.З. Огурцовой, д.б.н. В.Ю. Баркалову, к.б.н. Р.В. Дудкину, к.б.н. А.Н. Луферову, к.б.н. Е.А. Чубарь, Э.В. Вржосек, Н.В. Медведчиковой, Г.Ф. Дарман, д.б.н. В.М. Старченко, Т.М. Цыплаковой, К.В. Бондаренко, В.Г. Трегубовой, Н.А. Беликовой.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. История и современное состояние интродукционных и селекционных исследований рода Chrysanthemum L.

В главе представлен анализ литературных данных по истории культуры хризантемы садовой. Разбирается состояние интродукционных исследований в условиях России, в том числе в дальневосточном регионе в связи с неадекватными климатическими особенностями для культивирования, близостью к исторической родине хризантемы садовой, представительством дикорастущих видов рода Chrysanthemum на территории рДВ и целесообразностью введения новой культуры в региональный ассортимент цветочно-декоративных растений. Обращается внимание на необходимость изучения и сохранения отечественного природного генофонда Chrysanthemum, большая часть которого включает реликтовые редкие и исчезающие виды, требующие безотлагательных мер охраны. Создание на основе редких видов гибридных и возвратно-гибридных популяций (Камелин, 1997) будет способствовать не только увеличению разнообразия, но сохранит новые источники генов экологической устойчивости растений к комплексу неблагоприятных факторов среды и позволит создать адаптивные отечественные сорта хризантемы садовой.

Глава 2. Регион, объекты и методы исследований

2.1. Характеристика природно-климатических условий района исследований. Дана характеристика природно-климатических условий региона с учетом флористического районирования С. С. Харкевича (1985) и территории проведения интродукционных работ по литературным источникам. Отмечается, что климат рассматриваемой территории относится к тихоокеанской муссонной области с хорошо выраженными сезонами года. Среднегодовые температуры на юге рДВ (4,8^°) существенно ниже среднеширотных (Витвицкий, 1969; Ивашинников, 1999). Низкие температуры холодного периода (средняя месячная температура января -13,5^°) и незначительный снеговой покров приводят к промерзанию почвы до 2 м, задерживают начало вегетации. Безморозный период составляет 160-190 дней. В зимний и зимне-весенний период часто наблюдаются оттепели с повышением температуры воздуха в южных районах до +3-4^°, представляющие большую опасность для зимующих многолетних растений. Лето отличается влажно-тропической погодой с суточными температурами +22^°, влажностью воздуха более 80 % и частыми туманами. Среднегодовое количество осадков 770-850 мм, большая часть которых приходится на летние месяцы.

2.2. Объекты и методы исследований. Интродукционные исследования проводили в 1986-2009 гг. на территории БСИ по Методике Государственного сортоиспытания …, 1960, 1968; методике К. Ф. Дворяниновой (1982). Оценку успешности введения дикорастущих видов Chrysanthemum в культуру - по Р. А. Карписоновой (1978, 1985), фенологические наблюдения - по Методике фенологических …, 1975. Сохранение и поддержание сортообразцов хризантемы садовой на экспериментальном поле БСИ осуществляли вегетативным возобновлением зелеными черенками и высадкой ежегодно 500-600 экземпляров, относящихся к 50-60 сортам. Коллекция комплектовалась автором путем привлечения сортовых образцов из НБС им. Н. Н. Гришко НАНУ, ГНБС НАНУ, НБС АН Молдовы, ГБС РАН им. Н. В. Цицина. Географическое распространение видов Chrysanthemum определяли на основе личных полевых исследований, изучения гербарного материала (VLA, LE, MHA, MW) и литературных данных. Латинские названия таксонов приведены по «Сосудистые …», 1996; Lee, 1996; Цвелев, 1999; Ohashi, Yonekura, 2004; «Higher …», 2005; «Флора …», 2006. Авторы видов Chrysanthemum приведены в таксономических цитатах. Экспедиционные работы проведены в 2004-2008 гг. в Приморском крае (Дальнегорский, Лазовский, Ольгинский, Партизанский, Ханкайский, Хасанский районы) и Амурской области (окрестности г. Благовещенск).

Для изучения биоморфологических особенностей, онтогенетических состояний и жизненных форм использовали работы отечественных исследователей (Работнов, 1950; Серебряков, 1952, 1955, 1962, 1964; Уранов, 1975; «Ценопопуляции …», 1976, 1988; Серебрякова, 1977; Сацыперова, 1989, 1993; Жукова, 1995). Так как объектами исследований были редкие и находящиеся на периферии ареала виды, выкопку растений в местах обитания с целью изучения онтогенеза не проводили, и сбор гербарных образцов был сведен к минимуму. Изучение числа хромосом выполнено при консультативной помощи к.б.н. В. В. Коцерубы по методике ВИРа («Определение …», 1988) с учетом работ японских авторов (Tanaka et al., 1989; Nakata et al., 1991).

Селекционные исследования осуществляли на основе «Программы и методики селекции …», 1980, 1995; «Программы и методики сортоизучения …», 1999. Идентификация патогенной микобиоты, ассоциированной с родом Chrysanthemum, выполнена по определителям Н. М. Пидопличко (1977, 1978), «Низшие растения …», 1991 в соответствии с современной номенклатурой (Азбукина, 1984; Егорова, 1986; «Низшие растения …», 1991) совместно с научным сотрудником Н. А. Павлюк.

Гибридологический анализ наследования признака устойчивости к Puccinia horiana Henn. проведен по методикам, изложенным в специальных пособиях (Серебровский, 1970; Тихомирова, 1990). Для проверки соответствия наблюдаемых расщеплений использовали метод хи-квадрат (ч²). Зимостойкость видов, гибридных форм оценивали по шкале, разработанной для травянистых многолетников (Шокаева, Зубов, 1999), адаптированной нами для хризантемы садовой. Гамма-облучение (Co⁶⁰) экспериментального материала проводили на установке РХ-гамма-30 Дальневосточного государственного университета (ДВГУ, г. Владивосток) в 1988 году. Генетическое разнообразие на примере C. naktongense изучали с использованием RAPD-анализа совместно с сотрудниками лаборатории Генома растений Центра «Биоинженерия» РАН (Недолужко и др., 2008).

Статистическая обработка полученных данных проведена методами вариационного, дисперсионного, корреляционного и кластерного анализов (Зайцев, 1973, 1978, 1990, 1991; Лакин, 1980, Доспехов, 1985), корреляционных плеяд (Терентьев, 1959) в программе MS Excel и Statistica. При анализе количественных признаков для каждого параметра вычисляли среднюю арифметическую и ее ошибку (M±m), коэффициент вариации (V, %). Амплитуду варьирования оценивали по шкале А.С. Мамаева (1975).

На конец 2008 года в коллекции БСИ сосредоточено 50 сортообразцов, 20 природных видов и форм Chrysanthemum в виде семенных популяций и вегетативно размноженных клонов.

За период исследований выполнено 67 межвидовых, 21 межвидовых многокомпонентных, 207 межсортовых, 8 сортовидовых, 17 сортовидовых многокомпонентных комбинаций скрещиваний, 61 беккросс, 18 сибсов, 23 самоопылений, 7 комбинаций скрещиваний инбредов. Опылено 3005соцветий, собрано 38806 семян, выращено и проанализировано 8703 сеянцев.

Глава 3. Результаты интродукции сортов хризантемы садовой на юге Приморского края

Учитывая опыт отечественных исследователей по интродукции многолетних травянистых растений (Аврорин, 1956; Былов, 1971, 1976, 1978; Карписонова, 1978, 1985; Долганова, 2002), для оценки успешности выращивания в новых условиях применяли следующие эколого-биологические показатели: стабильность феноритма в местных условиях и полноту прохождения фенологических фаз, устойчивость к болезням, зимостойкость.

3.1. Феноритмы роста и развития. В условиях Приморского края хризантемы проходят следующие фенофазы: весеннее отрастание, активный рост побегов, бутонизация, цветение. Анализ фенологического спектра цветения по годам выявил стабильность этого показателя у большинства сортов. Варьирование календарной даты «начало цветения» и фенологического признака «период вегетативного роста до цветения» оказались у всех сортов низкими. Исключение составляли сорта, выпавшие из коллекции после нескольких лет культивирования. Не отмечено нарушения последовательности зацветания сортов относительно друг друга. Выявлено существенное влияние на начало цветения и период роста побегов до цветения условий вегетационного сезона и сортовой принадлежности. Дружность зацветания зависела только от генетических особенностей растений. При анализе сопряженности отдельных фенологических фаз и фенологических признаков линейная зависимость отмечена только между началом цветения и продолжительностью цветения, периодом вегетативного роста до цветения и продолжительностью цветения, о чем свидетельствуют линии и уравнения регрессии (рисунок 1, 2).

Не обнаружено корреляции между сроками посадки и началом цветения, что служит подтверждением стабильности срока цветения у хризантемы в условиях интродукции. Связи между фенологическими признаками продолжительность цветения - дружность цветения, период роста до цветения - дружность цветения, начало цветения - дружность цветения существенно отличались от линейных и налицо имелись другие типы зависимостей. Из всего этого можно заключить, что в структуре связей фенофаза начало цветения является доминирующей и меньше всего зависит от других фаз.

Стабильность фенологического спектра цветения большинства изученных сортов, четкая фотопериодическая реакция, сопряженность основных погодных показателей с фенологической динамикой растений предварительно позволяют оценить успешность интродукции ранне- и среднецветущих сортов хризантемы в условиях субрегиона. Поздние сорта не всегда успевают зацвести из-за недостатка тепла и малоперспективны для выращивания.

3.2. Устойчивость к грибным патогенам. Серьезным препятствием при интродукции хризантемы в условия муссонного климата Приморского края, характеризующегося одним из напряженных инфекционных фонов в Российской Федерации (Анненков, 1996), являются заболевания, вызываемые патогенной микобиотой. В коллекции рода Chrysanthemum зарегистрировано 30 видов микромицетов, провоцирующих патологические изменения. К числу постоянных относятся широкоспециализированные грибы Alternaria, Septoria, Botrytis, Erysiphe, степень развития которых зависит от метеоусловий и уровня агротехники. Учитывая невысокую вредоносность перечисленных патогенов на данном этапе, их относим к потенциально опасным. Наиболее вредоносной и экономически значимой в настоящее время в субрегионе является Puccinia horiana Henn., борьба с которой в связи со специфичностью климатических условий и неэффективностью химических средств защиты, возможна только селекционно-генетическими методами. Мониторинг коллекционного фонда позволил выявить и отобрать среди интродуцентов и сортов селекции БСИ источники устойчивости к P. horiana. Установлено, что из 50 изученных сортообразцов только 34% являются абсолютно устойчивыми.

Приоритетным направлением в борьбе с P. horiana является поиск источников устойчивости к патогену среди сортов Chrysanthemum и дикорастущих родичей, создание исходного материала для селекции с наличием биологического барьера в виде иммунитета к этому заболеванию.

3.3. Зимостойкость. Интродуцированные сорта, созданные в мягком климате, не обладают необходимым запасом зимостойкости в условиях субрегиона. На данном этапе в производстве используют культивары, технология выращивания которых предусматривает укрытие на зиму утепляющими материалами, либо содержание маточников в неотапливаемых теплицах. В связи с этим для дальнейшего развития культуры хризантемы садовой перспективны поиски источников зимостойкости среди дикорастущих видов и форм, создание на их генетической основе доноров и новых сортов.

3.4. Сортооценка интродуцентов по комплексу признаков и перспективы совершенствования регионального сортимента. Анализ результатов интродукции и сортооценка по комплексу показателей позволили определить возможность введения хризантемы в ассортимент цветочно-декоративных растений и рекомендовать перспективные сорта для субрегиона (Недолужко, 1990, 1991). Рекомендованный сортимент необходимо совершенствовать путем введения генов экологической устойчивости от дикорастущих видов Chrysanthemum в культурные сорта.

Глава 4. Природный потенциал рода Chrysanthemum в связи с введением в культуру и селекцию

4.1. Ресурсы России и сопредельных стран. Южные районы российского Дальнего Востока, расположенные на стыке Восточно-Азиатской и Циркумбореальной флористических областей Голарктики (Тахтаджян, 1978), являются северным и северо-восточным пределом распространения большинства восточноазиатских видов Chrysanthemum. Из девяти российских представителей рода восемь (C. chanetii, C. coreanum, C. maximowiczii, C. mongolicum, C. naktongense, C. sichotense, C. weyrichii, C. zawadskii) произрастают на юге Дальнего Востока (рисунок 3).

В процессе исследований природных местообитаний дальневосточных видов Chrysanthemum нами выявлена ограниченная возможность расселения популяций на российской части ареала. Состояние большинства отечественных видов вызывает тревогу в связи с разрушением их экотопов.

Рисунок 3 - Распространение видов Chrysanthemum на юге российского Дальнего Востока

Обитания восточноазиатских видов Chrysanthemum приурочены к плоскогорьям и горным системам, морским побережьям. Ареал рода, простираясь в широтном направлении, объединяет провинции Китая, Кореи, о-ва Японии, юг Дальнего Востока России наличием общих таксонов (рисунок 4). Первичный Китайско-Японский генетический центр, несмотря на огромное развитие вторичных культурных центров, остается неиссякаемым источником генов и их комбинаций, включая в себя большое число генетически доминантных признаков, степень изменчивости и концентрации которых достигают максимума в центре очага формирования, а исключительные рецессивные типы выявляются на окраинах ареала (Вавилов, 1966).

Основное число отечественных видов Chrysanthemum, находящихся на пределе своего распространения, встречается изолированными, довольно малочисленными популяциями только на юге ДВ и не свойственно другим регионам России. Именно здесь, на границе ареала, где происходит естественный отбор особей и популяций, обладающих повышенным биологическим потенциалом, можно отобрать особо ценные формы для интродукции и селекции.

Рисунок 4 - Общие для юга российского Дальнего Востока и сопредельных стран виды рода Chrysanthemum: 1 - C. indicum, 2 - C. naktongense, 3 - C. chanetii, 4 - C. coreanum, 5 - C. maximowiczii, 6 - C. zawadskii, 7 - C. mongolicum, 8 - C. sichotense, 9 - C. weyrichii

4.2. Изменчивость дальневосточных видов Chrysanthemum в природных местообитаниях.

4.2.1. Репродуктивные особенности. Ксеногамия свойственна за редким исключением преобладающему большинству видов Chrysanthemum, в сочетании с вегетативным размножением образует своеобразный состав популяций: особи гетерозиготны, а сама популяция гетерогенна. Популяции включают клональные фрагменты, размер которых зависит от адаптивной ценности генотипа особей клона.

Биология опыления и оплодотворения у видов Chrysanthemum связаны с самонесовместимостью (Недолужко и др., 2002), что определяет генетическую структуру популяций. Семенное возобновление хризантем в природных обитаниях зависит от места произрастания, а больше - от численности популяций. Критически малочисленные популяции обеспечивают плохую завязываемость семян, низкие всхожесть и выживаемость сеянцев.

4.2.2. Структура морфологической изменчивости и взаимосвязь признаков в природных популяциях изучена на примере варьирования количественных составляющих генеративного побега C. coreanum и C. naktongense. Учитывали: 1) длину генеративного побега; 2) длину префлоральной зоны побега; 3) отношение 1/2; 4) число соцветий на побег; 5) диаметр соцветия; 6) диаметр диска; 7) отношение 5/6; 8) длину ложноязычкового цветка; 9) ширину ложноязычкового цветка; 10) отношение 8/9; 11) общую длину листа; 12) длину черешка; 13) длину листовой пластинки; 14) отношение 13/12; 15) ширину листовой пластики; 16) ширину узкой части листовой пластинки; 17) отношение 13/15; 18) отношение 15/16.

C. coreanum. Установлено, что большинство признаков имеет высокую и очень высокую степень изменчивости на внутри- и межпопуляционном уровне. Кластеризация среднепопуляционных значений одноименных признаков показала определенную дифференциацию популяций (рисунок 5). Выявлена клинальная изменчивость фенологических признаков C. coreanum вдоль географического субмеридионального градиента. Корреляционный анализ средних популяционных значений морфометрических показателей выявил плеяды отдельных признаков (рисунок 6).

Состояние растений в природных популяциях C. coreanum, высокий внутрипопуляционный и межпопуляционный полиморфизм указывают на достаточный запас генетической изменчивости и высокую жизненность вида.

C. naktongense. Внутрипопуляционная изменчивость характеризуется высоким и очень высоким уровнем, хотя мониторинг мест обитаний обнаружил неблагополучное жизненное состояние растений. Межпопуляционная изменчивость отличается меньшим диапазоном и числом варьирующих признаков по сравнению с предыдущим видом.

Выявленный для C. naktongense высокий внутрипопуляционный и слабый межпопуляционный полиморфизм не являются показателем благополучия растений. Он может указывать на однотипность процессов, идущих в популяциях, связанных с близкородственным скрещиванием и проявлением скрытой генетической изменчивости. Небольшой размер популяций, рассеивание семян вблизи родительских растений, наличие вегетативного размножения в жизненном цикле особей, предполагает значительный уровень инбридинга даже у самонесовместимых хризантем из-за скрещивания типа родитель x потомство, либо братья x сестры, переопыления в пределах клона. Подобный феномен связан с прогрессирующим снижением численности особей в популяциях при нарушении природных мест обитаний.

Рисунок 5 - Кластеризация локальных популяций C. coreanum (по комплексу морфометрических признаков генеративного побега) на основе евклидовых расстояний (метод Ward)

Рисунок 6 - Корреляционные кольца, отражающие структуру связей между признаками, и корреляционные плеяды генеративного побега C. coreanum в природных популяциях. 1-18 - признаки (в тексте)

4.2.3. Число хромосом. Проведенный подсчет числа хромосом на метафазных пластинках давленых препаратов первичного корня Chrysanthemum обнаружил принадлежность большинства изученных видов маньчжурской флоры к гексаплоидам и тетраплоидам (таблица 1).

Таблица 1 - Число хромосом у видов Chrysanthemum. БСИ, 2002-2006 гг.

Примечание: прочерк означает отсутствие данных

4.3. Изменчивость видов Chrysanthemum в интродукционном эксперименте.

4.3.1. Онтогенетическая изменчивость. Рассмотрены этапы формирования жизненных форм Chrysanthemum разного географического происхождения, подробно описаны онтогенетические состояния и архитектоника соцветий (синфлоресценций).

По продолжительности развития монокарпических побегов все изученные виды разделены на две группы (рисунок 7): с дициклическими полурозеточными побегами (маньчжурские, маньчжуро-корейские, монгольско-сибирские) и с моноциклическими безрозеточными удлиненными побегами (субтропические японо-корейские и китайские виды).

Рисунок 7 - Схема онтогенетического развития растений рода Chrysanthemum семенного происхождения: а) - умеренного и б) субтропического климатов. Возрастные состояния: p - проростки, j - ювенильное, im - имматурное, v - виргинильное, g - генеративное

4.3.2. Изменчивость морфологических признаков Chrysanthemum в культуре.

C. coreanum. Изменчивость морфометрических признаков генеративного побега у всех экспериментальных популяций варьирует в широких пределах и в условиях агрофона. Межпопуляционная изменчивость разделяет интродукционные популяции C. coreanum в зависимости от происхождения на кластеры (рисунок 8). Явление повышения уровня скоррелированности признаков в условиях агрофона обеспечивается проявлением генетических особенностей, не зависящих от внешних факторов. Установлены пары абсолютных и относительных признаков, которые имеют стабильные коррелятивные связи (рисунок 9).

Группировка признаков в плеяды на фоне дифференцированных условий среды обнаружила различия по составу и мощности плеяд (число признаков, входящих в число плеяд). Стабильные плеяды: диаметр соцветия - индекс соцветия - длина ложноязычкового цветка; длина листа - длина черешка - ширина листовой пластинки выявлены как в природных, так и в интродукционных популяциях (рисунок 6, 9).

Рисунок 8 - Кластеризация интродукционных популяций C. coreanum, построенная на основе евклидовых расстояний по морфометрическим признакам (метод Ward)

C. naktongense. Высокий внутрипопуляционный полиморфизм растений отмечен и в условиях агрофона. Установлено, что наиболее изменчивой по морфометрическим показателям является популяция, происходящая с побережья б. Витязь, подверженная сильному антропогенному влиянию. Для нее установлено широкое варьирование признаков, в том числе и таксономических, что может объясняться изменением частоты аллелей (генетическим дрейфом) на фоне снижения эффективного размера популяции.

Рисунок 9 - Корреляционные кольца, отражающие структуру связей между признаками, и корреляционные плеяды генеративного побега C. coreanum в интродукционных популяциях. 1-18 - признаки, см. в тексте

4.4. Генетическое разнообразие природных популяций на примере C. naktongense, изученное с использованиием RAPD-маркеров, выявило наибольшую ожидаемую гетерозиготность растений в популяции, находящейся на заповедной территории (о-в Фуругельма в Японское море). Подверженные в разной степени антропогенному влиянию популяции в окрестностях бухт Теляковского и Витязь характеризуются сниженным уровнем генетического разнообразия (таблица 2).

Таблица 2 - Параметры внутрипопуляционного генетического разнообразия природных популяций C. naktongense, 2008 г.

H_e - ожидаемая гетерозиготность; P₉₅, % - доля полиморфных локусов с критерием значимости 95

Основной вклад в формирование популяционно-генетической структуры C. naktongense вносит генетический дрейф, связанный с сокращением репродуктивного и эффективного размеров популяций.

4.5. Оценка биологических особенностей видов Chrysanthemum, определяющих успешность введения в культуру. Устойчивый феноспектр, благополучная зимовка, невосприимчивость к автохтонным фитопатогенам подтверждают успешность введения в культуру C. chanetii, C. naktongense, C. coreanum, C. mongolicum, C. zawadskii, C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum, C. seticuspe (очень перспективные, 12-15 баллов); C. zawadskii ssp. latilobum, ssp. acutilobum, ssp. acutilobum var. alpinum (перспективные, 9-11 баллов). К малоперспективным (5-8 баллов) отнесены C. maximowiczii (экологически специфичный вид) и субтропические C. boreale, C. indicum, C. pacificum, которые в исследуемом районе не проходят полностью цикл развития, не успевают зацвести из-за недостатка тепла, не выдерживают суровых условий зимы.

Глава 5. Формообразование при отдаленной гибридизации

5.1. Межвидовые скрещивания (простые)

5.1.1. Совместимость видов Chrysanthemum при гибридизации. Отрицательные результаты экспериментальной гибридизации диплоидных видов свидетельствует о генетических различиях между геномами. Возможно, исходный (n=9) геном дифференцировался в процессе эволюции на различные геномы без изменения числа хромосом на основе хромосомных аберраций.

Завязывание единичных семян при скрещивании C. chanetii (2n=18) с C. coreanum, C. maximowiczii (2n=54) и C. naktongense, C. zawadskii ssp. latilobum (2n=36) является доказательством частичной гомологичности их геномов.

Возможность скрещивания гексаплоидных и тетраплоидных видов хризантем, высокая жизнеспособность гибридных семян и фертильное потомство указывают на большое сходство составляющих их наследственную основу геномов (таблица 3). Сходство геномов подтверждает и кластерный анализ морфометрических параметров листа межвидовых гибридов (рисунок 10).

Таблица 3 - Совместимость видов Chrysanthemum при гибридизации

Условные обозначения: Cor - C. coreanum, Nak - C. naktongense, Ten - C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum, Max - C. maximowiczii, Lat - C. zawadskii ssp. latilobum, Acut - C. zawadskii ssp. acutilobum, Cha - C. chanetii, Set - C. seticuspe, Bor - C. boreale; + хорошая завязываемость семян, фертильные гибриды; * завязывается единичное число семян, семена либо не прорастают, либо дают малочисленное и слабое потомство; 0 - семена не завязываются; - отсутствие данных

Рисунок 10 - Группы сходства экспериментальных межвидовых гибридов по морфометрическим признакам листа (метод Ward)

5.1.2. Изменчивость межвидовых гибридов. Полученные данные по изменчивости морфометрических признаков межвидовых гибридов хризантемы свидетельствуют о доминировании наследственности видов с большим уровнем плоидности. При равноплоидных скрещиваниях наблюдается промежуточный характер наследования, либо уклонение к материнскому типу.

Среди межвидовых гибридов имеется широкий выбор устойчивых биотипов к основным фитопатогенам, сочетающих разную генетическую основу. Показан полигенный характер наследования признака зимостойкости и возможность совмещения в одном организме высокого уровня этого показателя. Наиболее зимостойкое потомство отмечено при участи C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum, C. naktongense, C. coreanum. В ряде комбинаций установлено преимущественное влияние материнского родителя на зимостойкость сеянцев.

5.2. Многокомпонентные межвидовые скрещивания. Выявлено, что оптимальные комбинации, в которых завязываются полноценные семена и развиваются гибридные сеянцы, состоят не более чем из трех разных компонентов. Полученные гибриды являются новыми аллополиплоидными формами с частично гомологичными или гомеологичными геномами. Возможно, что в процессе эволюции именно этим путем возникали полиплоидные виды хризантем.

5.3. Результаты отбора адаптивных форм. На базе зимостойких видов Chrysanthemum в БСИ созданы, отобраны и размножены новые комплексно устойчивые межвидовые формы из гибридных семей C. naktongense х C. coreanum, C. naktongense х C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum, C. naktongense х C. maximowiczii, C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum x C. coreanum, сочетающие зимостойкость и невосприимчивость к P. horiana.

Учитывая узкую экологическую специфичность отдельных видов, не всегда способствующую успешному введению в культуру, создание гибридов на их основе и сохранение в новых организмах ценных генов перспективнее, чем введение в культуру чистых видов.

Глава 6. Сохранение генетических ресурсов Chrysanthemum методами селекции. Наследование основных хозяйственных признаков гибридным потомством при различных типах скрещиваний

6.1. Межсортовые скрещивания. Вследствие гибридного происхождения и высокого уровня плоидности хризантемы (2n=54) при межсортовой гибридизации возникают многочисленные рекомбинации генов, которые обеспечили получение богатого гибридного материала для отбора на уровне адаптивности родительских форм. Межсортовое гибридное потомство характеризовалось промежуточным наследованием признаков окраски и формы соцветий, высоты растений, срока цветения (Недолужко, 2001). Положительные трансгрессии отмечены по признаку зимостойкости только в одном случае (сорт Бабье лето). В результате межсортовых скрещиваний получен 21 новый сорт, предназначенный для выращивания в открытом грунте при условии зимнего укрытия или сохранения маточников в холодной теплице (Недолужко, 2004). Отселектированные сорта устойчивы к возбудителям Alternaria, Septoria, Botrytis, Erysiphe, Puccinia tanaceti. С возникновением новой проблемы - эпифитотии P. horiana (2003-2006 гг.) - среди них выявлены иммунные сорта-источники устойчивости к патогену - Дальневосточница, Сударушка, Ярославна. Адаптивный потенциал может быть повышен введением в генотип культурных сортов генов диких родичей.

6.2. Сортовидовые скрещивания. Показана принципиальная возможность скрещиваний сортов хризантемы садовой с природными видами Chrysanthemum: образование семян и выживаемость сеянцев зависели от особенностей участвующих в гибридизации генотипов. Потомство F₁ отличается от исходных родительских форм гибридной мощностью, фенотипической мономорфностью в пределах семьи независимо от комбинации скрещивания. По типу онтогенеза преобладают признаки дикого вида. Несовпадение плоидности скрещиваемых родителей, не являясь решающим фактором при гибридизации, сказалось на количестве генеративных побегов, уровне фертильности и женской плодовитости уже F₂, полученного при насыщающих скрещиваниях.

У F₁ сортовидовых гибридов наблюдался широкий спектр изменчивости по вступлению сеянцев в генеративное состояние и началу цветения.

Наибольшее число устойчивых сеянцев к P. horiana получено в семьях с использованием С. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum, С. coreanum, С. maximowiczii, С. naktongense; значительный их процент выделен при участии С. zawadskii ssp. latilobum. Восприимчивые в разной степени растения получены в потомстве на основе С. zawadskii ssp. acutilobum. Анализ наследования признака показал, что устойчивость к P. horiana доминирует в большинстве комбинаций F₁, это дает возможность провести отбор уже в первом поколении сортовидовых гибридов. Доминирование устойчивости - надежная защита растений от имеющейся в настоящее время расы P. horiana. Расщепление потомства F₁ на небольшое число классов предполагает моногенную либо олигогенную основу наследования признака. Представители C. coreanum, C. maximowiczii, С. naktongense, C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum рекомендованы нами в качестве доноров устойчивости к P. horiana.

В потомстве F₁ выделены стабильно зимующие сеянцы в семьях на основе видов C. naktongense, C. coreanum, C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum, которые на данном этапе служат промежуточным звеном и являются ценным исходным материалом для насыщающих скрещиваний с культурными сортами.

Следовательно, хромосомы C. coreanum, C. zawadskii ssp. latilobum, C. maximowiczii, C. naktongense, C. zawadskii ssp. acutilobum var. tenuisectum способны коньюгировать с хромосомами культурных сортов, и их полезные гены могут быть переданы традиционными селекционными методами. В этом состоит актуальность сохранения генофонда диких родичей в виде гибридных форм.

Отобранные адаптивные формы F₁ (№№ 03-1, 03-2, 03-5, 04-9, 04-20, 05-1, 05-3, 05-5, 05-7, 05-22, 05-23, 61-06, 63-06, 64-06, 67-06, 71-06) являются комплексными источниками общей экологической устойчивости для дальнейшей селекции и могут непосредственно использоваться в озеленении.