Voronezh, Russian Federation
employee
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
UDK 57 Биологические науки
The plantations of the pedunculate oak (Quercus robur L) are the most valuable forestry, ecological, economic and environmental resource. To implement measures for the reproduction of forests, it is necessary to create artificial plantations with planting material with improved hereditary properties. In this regard, the selection of high-quality seeds and fast-growing seedlings of Quercus robur is an extremely topical issue. For the study, we selected objects of oak forests, which have a different degree of recreational load, but are located in identical forest conditions. When collecting experimental material and analyzing the data obtained, generally accepted breeding approaches and methods of statistical processing of results were used. The method of selection by phenotype and fixation of a trait in the offspring justifies itself, but requires acceleration and deepening of knowledge in this direction with the use of modern methods of marker selection. In this connection, the purpose of the work on identifying additional selection criteria that allows for the selection assessment of seedlings is relevant. A close correlation has been established between the height of seedlings and the mitotic index; the height of the seedlings and the pathology of mitosis. It is proposed to use the mitotic index without taking into account cells at the stage of prophase and pathology of mitosis as additional criteria for selecting seedlings for growth rate. On the basis of a comprehensive assessment of the above morphological and cytogenetic characteristics, it is recommended to select highly adaptive and fast-growing seedlings to create forest cultures of Quercus robur
selection, pedunculate oak, seedling growth, mitotic pathologies, morphological parameters
Введение
Вопрос сохранения и преумножения дубрав, их использования и всестороннего изучения являлся актуальным со времен Петра I [2, 15], а в настоящий момент интерес к данной древесной породе не уменьшается, а наоборот нарастает как в нашей стране, так и зарубежом [3, 8, 13, 16].
Дуб черешчатый (Quercus robur L.) относится к целевым породам для Центральной лесостепи [2]. Насаждения дуба черешчатого являются ценнейшим лесоводственным, экологическим, экономическим, а также природоохранным ресурсом. В стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года [10] отмечена необходимость увеличения доли лесных культур, созданных посадочным материалом с улучшенными наследственными свойствами. Тем не менее, в России отмечаются процессы деградации дубрав [3, 15], что требует постоянного мониторинга и реализации программ по их сохранению [8, 13, 17 и др.].
Для осуществления мероприятий по воспроизводству лесов необходимо создание искусственных насаждений. В связи с этим, крайне актуальным вопросом является отбор высококачественных семян и быстрорастущих сеянцев дуба черешчатого.
Материалы и методы
Объекты исследования находятся в черте г. Воронежа и пригородных зонах (рис. 1).
1. Дубовые насаждения на ул. Московский проспект г. Воронежа (географические координаты: 51 ° 42'44.6 "N 39 ° 10'57.3" E);
2. Дубрава Правобережного участкового лесничества Пригородного лесничества (географические координаты: 51 ° 43'10.5 "N 39 ° 13'29.1" E);
3. Дубрава урочища Чижовское, расположенная на юго-западной окраине г. Воронежа (географические координаты: 51° 37'14.1 "N 39° 11'07.0" E);
4. Дубравы поселка Задонье (северная окраина города) (географические координаты: 51 ° 46'02.7 "N 39 ° 11'06.5" E);
5. Дубрава, расположенная в районе 9 км Задонского шоссе около СОК «Олимпик» (географические координаты: 51 ° 45'18.1 "N 39 ° 11'22.5" E);
6. Дубрава Гремяченского лесничества «Шиловская нагорная дубрава» (географические координаты: 51 ° 34'08.7 "N 39 ° 08'50.0" E);
7. Дубрава Биологического учебно-научного центра «Веневитиново» (географические координаты: 51 ° 48'27.4 "N 39 ° 25'02.3" E);
8. Дубрава Кожевенный кордон (географические координаты: 51 ° 48'33.5 "N 39 ° 19'19.3" E);
9. Дубрава лесного массива поселка «Краснолесный» (географические координаты: 51 ° 52'34.5 "N 39 ° 34'10.4" E);
10. Дубрава Воронежского Биосферного заповедника (географические координаты: 51 ° 53'59.3 "N 39 ° 33'10.3" E).
Все исследуемые объекты-дубравы имеют разную степень рекреационной нагрузки, но являются одновозрастными, произрастают в идентичных условиях и находятся в удовлетворительном состоянии. Исключение составляет средневозрастное (45 лет) насаждение на объекте №1, которое в не было включено в анализ. Лесоводственно-таксационная характеристика объектов исследования приведена в таблице 1.
Рисунок 1. Схема расположения объектов
исследования
Figure 1. Arrangement of objects research
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
Методика проведения исследований. На каждом объекте были заложены 3 пробные площади размером 50 на 50 м, на которых выбиралось не менее 50 деревьев, одним из факторов – было сохранение нижних ветвей, доступных для морфологического анализа.
Для каждого дерева проводили измерения длины побега годичного прироста осевых побегов от почечного кольца и определяли морфологические параметры листьев на побегах: длину от основания листовой пластинки по центральной жилке, ширину листовой пластинки (в самом широком месте). Измерения проводили в сентябре, в период полного прекращения ростовых процессов. Замеры морфологических параметров проводили с точностью до 1 мм.
Таблица 1
Лесоводственно-таксационные показатели объектов исследования
Table 1
Silvicultural-taxation indicators of research objects
|
№ объекта | No.Object |
Тип лесорастительных условий | Type of forest growing conditions |
Возраст, лет | Age, years |
Средняя высота, м | Average height, m |
Средний диаметр, см | Average diameter, cm |
Санитарное состояние, балл | Sanitary condition, score |
Рекреационная нагрузка | Recreational load |
|
1 |
Д2 |
45 |
18 |
24 |
2,18 |
очень высокая |
|
2 |
С2Д |
100 |
23 |
40 |
2,17 |
высокая |
|
3 |
С2Д |
95 |
23 |
36 |
2,44 |
высокая |
|
4 |
Д2 |
90 |
22 |
36 |
2,21 |
высокая |
|
5 |
С2Д |
100 |
24 |
32 |
2,38 |
очень высокая |
|
6 |
С2Д |
90 |
24 |
32 |
2,11 |
средняя |
|
7 |
Д2 |
95 |
25 |
40 |
2,25 |
низкая |
|
8 |
С2Д |
90 |
24 |
36 |
1,96 |
низкая |
|
9 |
С2Д |
100 |
23 |
36 |
2,17 |
низкая |
|
10 |
Д2 |
100 |
25 |
40 |
2,33 |
очень низкая |
Источник: собственные измерения вычисления авторов
Source: own measurements and calculations
Семена, отобранные для посева, были сохранены во влажных опилках в холодильной камере и посеяны в весенний период в открытый грунт на участок с серыми лесными почвами. Посадку проводили рядами, с междурядьями 4 м и между желудями в рядах 1 м.
Семенной материал оценивали по весу, продольному и поперечному размерам желудя. С каждой пробной площади собирали 100 семян. Масса желудей определялась с точностью 1 мг на электрических весах, диаметр и длину желудя измеряли с точностью 0,1 см штангенциркулем.
У выращенных сеянцев измеряли высоту и толщину побега у основания.
Для цитогенетического анализа семена проращивались во влажном песке. Когда корешки проростков достигали 2-3 см, производилась их фиксация в смеси 96 % - ного этилового спирта и ледяной уксусной кислоты (3:1) в вечернее время (22.00), когда наблюдаются пики митотической активности и патологических митозов [5]. Материал хранили при температуре +4ºС в холодильнике. После чего корешки проростков окрашивались ацетогематоксилином, изготавливались давленые препараты по описанной ранее методике.
Из корешков проростков было изготовлено более 100 микропрепаратов, с каждого из которых анализировалось по 150 клеток для изучения ядрышковых характеристик и не менее 700 для изучения митоза. Материал просматривался с помощью светового микроскопа Laboval-4 (Carl Zeiss, Jena) при увеличении 40×1.5×10, 100×1.5×10.
На основании полученных данных определяли митотический индекс (доля делящихся клеток, %), долю патологических митозов среди общего числа делящихся клеток (%), % распределения клеток по стадиям митоза (доля про-, мета-, ана-, телофаз). Патологические митозы классифицировали по методике И.А. Алова [1]. Среди ядрышковых характеристик на каждом препарате учитывали количество клеток с тем или иным типом ядрышка и измеряли диаметр ядрышка. Классификацию ядрышек проводили по методике В.П. Челидзе и О.В. Зацепиной [11]. По полученным данным были вычислены площади поверхности одиночных ядрышек (мкм2) и частота встречаемости различных типов ядрышек (%).
При сборе экспериментального материала и анализе полученных данных применялись общепринятые селекционные подходы и методы [4, 7]. Оценка санитарного состояния насаждений выполнена на основании Правил санитарной безопасности в лесах [9], действующих на момент проведения исследований. Объем собранного материала обеспечивает репрезентативность выборки и позволяет достоверно оценить результаты исследований на требуемом уровне точности.
В ходе математической обработки использованы методы описательной статистики и корреляционного анализа [4, 6]. Оценка результатов тесноты связи проведена по шкале Чеддока: при r менее 0,3 – слабая; 0,31-0,5 – умеренная; 0,51 до 0,7 – заметная; от 0,71 до 0,9 – высокая; более 0,91 – очень высокая.
Результаты и обсуждение
Метод отбора по фенотипу и закреплению признака в потомстве оправдывает себя, но требует ускорения и углубления знаний в этой области, что может быть решено с применением современных методов маркерной селекции.
В связи с чем, поставлена задача выявить дополнительные критерии отбора, позволяющие проводить селекционную оценку сеянцев в короткие сроки. Средние показатели роста сеянцев и жизнеспособности семян приведены в таблице 2.
Установлено, что распределение морфологических параметров в общей совокупности не соответствует нормальному (эксцесс кривой (Е) более 3, при очень высокой степени асимметрии), поэтому для определения возможной корреляции и оценки тесноты связи между изучаемыми показателями были рассчитан коэффициент корреляции Спирмена. Полученные коэффициенты при достоверном уровне значимости (Р0,05)представлены в таблице 3.
Из приведенных данных следует, что наибольшую тесноту связи между собой имеют параметры высоты и диаметров сеянцев одно- и двухлетнего возраста. Коэффициент корреляции колеблется от + 0,3 до + 0,7, что наиболее характерно для пары h 2 – d 2. Связь морфологических показателей прямая. Теснота связи через 1 год роста усилилась – для пар сеянцев произрастающих на объекте №9 возрос с + 0,3 до + 0,5, а на объекте №8 с + 0,4 до 0,7. Таким образом, для сеянцев дуба черешчатого прямая связь высоты и диаметра сеянца сохраняется и увеличивается. Наличие обратных связей между d 1 – d 2 для сеянцев, выращенных из семян, произрастающих на объектах №2 и №7, а также между h 1 – h 2 и h 1 – d 2 для сеянцев, выращенных из семян, произрастающих на объекте №10, может быть связано с влиянием на общую выборку погибших растений.
Тесной связи между приростом побегов материнских деревьев и энергией роста сеянцев не выявлено. Для сеянцев, выращенных из семян на объекте №2, достоверно установлена слабая степень связи (rs = + 0,2) между длиной осевого побега материнских деревьев и диаметром сеянцев 2 года жизни, при этом связи длины побега и высоты сеянцев не обнаружено.
Таблица 2
Средние показатели роста сеянцев и жизнеспособности семян
Тable 2
Average seedling growth and seed vitality
|
объекта | No. object |
Морфологические параметры сеянцев (M±m) | Morphological parameters of seedlings (M ± m) |
Всхо-жесть, % | Germination,% |
Прижива-емость, %| Survival,% |
Δ М в сравнении с 1 годом роста | Δ M versus 1 year of growth |
||||
|
весна | spring |
осень | autumn |
|||||||
|
высота, см | height, cm |
диаметр у основания, см| diameter at the base, cm |
высота, см| height, cm |
диаметр у основания, см| diameter at the base, cm |
высота, см | height, cm |
диаметр, см | diameter, cm |
|||
|
2 |
15,2 ± 0,4 |
0,21 ±0,004 |
20,1±0,6 |
0,28±0,009 |
85 |
74,4 |
+ 3,9 |
+ 0,08 |
|
3 |
13,4 ± 0,8 |
0,25 ± 0,01 |
15,0±0,7 |
0,25±0,01 |
83 |
78,9 |
+ 4,1 |
+ 0,01 |
|
5 |
15,3 ± 0,5 |
0,26 ±0,007 |
17,4±0,8 |
0,32±0,01 |
76 |
66,7 |
+ 2,6 |
+ 0,04 |
|
6 |
16,7 ± 0,4 |
0,32 ± 0,4 |
20,3±0,5 |
0,36±0,007 |
91 |
90,3 |
+ 3 |
+ 0,05 |
|
7 |
18,5 ± 0,4 |
0,36 ± 0,01 |
19,5±0,7 |
0,32±0,009 |
90 |
91,8 |
+ 1,4 |
- 0,05 |
|
8 |
13,5 ± 0,7 |
0,34 ± 0,01 |
15,9±0,8 |
0,32±0,01 |
81 |
80,9 |
+ 2,3 |
+ 0,05 |
|
9 |
13,3 ± 1,1 |
0,32 ± 0,01 |
11,1±1,2 |
0,25±0,01 |
66,8 |
78,6 |
- 4,9 |
- 0,05 |
|
10 |
11,6 ± 0,6 |
0,34 ± 0,01 |
12,5 ±0,6 |
0,26±0,009 |
85 |
90,9 |
+ 0,4 |
- 0,09 |
Источник: собственные измерения и вычисления авторов
Source: own measurements and calculations
Таблица 3
Коэффициент корреляции Спирмена (rs), для взаимосвязи морфологических параметров
Table 3
Spearman's correlation coefficient (rs), for the relationship of morphological parameters
|
№ объекта | No. object |
Коэффициент корреляции Спирмена (rs) | Spearman's correlation coefficient (rs) |
|||||
|
h 1 – d1 |
h 2 – d 2 |
d 1 – d 2 |
l – d 2 |
h 1 – h 2 |
h 1 – d 2 |
|
|
2 |
+ 0,4 |
+ 0,4 |
- 0,2 |
+ 0,2 |
|
|
|
3 |
+ 0,3 |
- |
|
|
||
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
+ 0,5 |
+ 0,3 |
+ 0,2 |
|
|
|
|
6 |
+ 0,4 |
+ 0,3 |
|
|
|
|
|
7 |
+ 0,5 |
+ 0,6 |
|
|
|
|
|
8 |
+ 0,3 |
+ 0,5 |
- 0,3 |
|
|
|
|
9 |
+ 0,4 |
+ 0,7 |
- |
|
|
|
|
10 |
|
- 0,9 |
- 0,9 |
|||
Обозначения: h 1 – высота сеянцев 1 года роста; h 2 – высота сеянцев 2 года роста; d 1 – диаметр сеянца в 1 год роста; d 2 – диаметр сеянца во второй год роста; l – длина прироста осевого побега материнского дерева за вегетационный период.
Designations: h 1 - height of seedlings 1 year of growth; h 2 - height of seedlings 2 years of growth; d 1 - seedling diameter in 1 year of growth; d 2 - seedling diameter in the second year of growth; l is the length of the growth of the axial shoot of the mother tree during the growing season.
Источник: собственные вычисления авторов
Source: own calculations
Таблица 4
Коэффициент корреляции Спирмена (rs), определяющий взаимосвязи морфологических параметров сеянцев и цитогенетических параметров проростков семян
Table 4
Spearman's correlation coefficient (rs), which determines the relationship between morphological parameters
of seedlings and cytogenetic parameters of seedlings
|
№ объекта |
Коэффициент корреляции Спирмена (rs) для пар анализируемых параметров | Spearman's correlation coefficient (rs) for pairs of analyzed parameters |
|||||||||||
|
h1- MI |
h1-MIб/п |
h1- ПМ |
d1- MI |
d1- MIб/п |
d1-ПМ |
h2 – MI |
h2–MIб/п |
h2– ПМ |
d2– MI |
d2 – MIб/п |
d2 – ПМ |
|
|
2 |
0,24** |
0,22* |
0,22* |
0,27** |
0,28** |
0,27** |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
5 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0,8*** |
0,8*** |
0,8*** |
|
6 |
0,29** |
0,29** |
0,29** |
0,30*** |
0,39*** |
0,39*** |
0,38*** |
0,38*** |
0,38*** |
0,31** |
0,31** |
0,32** |
|
7 |
- |
- |
- |
- |
- |
- 0,16* |
0,29* |
0,3* |
0,28* |
0,23* |
0,25* |
0,23 |
Обозначения: h 1 – высота сеянцев 1 года роста; h 2 – высота сеянцев 2 года роста; d 1 – диаметр сеянца в 1 год роста; d 2 – диаметр сеянца во второй год роста; MI – митотический индекс с учетом клеток на стадии профазы; MI б/п – митотический индекс без учета клеток на стадии профазы; ПМ – процент клеток с нарушениями митоза (патологии митоза) с учетом клеток на стадии профазы; ПМ – процент клеток с нарушениями митоза (патологии митоза) без учета клеток на стадии профазы.
Значимость: * - P<0,05; ** - P<0,01; *** - P<0,001.
Designations: h 1 - height of seedlings 1 year of growth; h 2 - height of seedlings 2 years of growth; d 1 - seedling diameter in 1 year of growth; d 2 - seedling diameter in the second year of growth; MI - mitotic index, taking into account cells at the prophase stage; MI b / p - mitotic index excluding cells at the prophase stage; PM is the percentage of cells with impaired mitosis (mitotic pathology), taking into account cells at the prophase stage; PM is the percentage of cells with impaired mitosis (mitotic pathology), excluding cells at the prophase stage.
Significance: * - P <0.05; ** - P <0.01; *** - P <0.001.
Корреляционный анализ показал наличие положительной связи между цитогенетическими параметрами апикальных меристем и морфологическими параметрами сеянцев, как первого, так и второго года роста (таблица 4). Установлена тесная связь в следующих парах: высота сеянцев в 1 год – митотический индекс; высота сеянцев в 1 год – митотический индекс, подсчитанный без учета профаз; высота сеянца 1 год – патологии митоза; диаметр побега в 1 год – митотический индекс; диаметр побега в 1 год – митотический индекс, подсчитанный без учета профаз; высота сеянцев во 2 год – митотический индекс, высота сеянцев во 2 год – митотический индекс, подсчитанный без учета профаз; высота сеянцев во 2 год – патологии митоза; диаметр побега во 2 год – митотический индекс; диаметр побега во 2 год – митотический индекс, подсчитанный без учета профаз; диаметр побега во 2 год – патологии митоза. Важно отметить, что для каждого биотипа дуба черешчатого характерно наличие корреляционной связи, однако могут быть различия по направлению и силе связей. Корреляционный коэффициент Спирмена варьирует среди биотипов и пар признаков от слабой тесноты связи (0,2) до сильной (0,8).
Выводы (Заключение)
Известно, что селекция по фенотипу не всегда позволяет выделить набор ценных качеств в короткие сроки. В ходе проведенной работы установлено, что для ускоренной оценки сеянцев дуба черешчатого помимо основных фенотипических признаков необходимо введение дополнительных цитогенетических показателей. Изменение параметров ядрышек интерфазных клеток в апикальных меристемах являются показателем адаптивной реакции растений на воздействие факторов среды. Предложено использовать митотический индекс без учета клеток на стадии профазы и патологии митоза в качестве дополнительных критериев отбора сеянцев на быстроту роста. На основе комплексной оценки вышеприведенных морфологических и цитогенетических признаков рекомендуется проводить селекцию высокоадаптивных и быстрорастущих сеянцев для создания лесных культур дуба черешчатого.
1. Alov I.A. Patologiya mitoza. Vestnik AMN SSSR. 1965; 11:58-66. - Tekst: neposredstvennyy.
2. Bugaev V.A., Musievskiy A.L., Caralunga V.V. Dubravy lesostepi: monografiya. Voronezh, FGBOU VPO «VGLTA». 2013; 247 s. - Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20404987
3. Glushko S.G, Manyukova I.G., Prohorenko N.B. Vosstanovlenie dubrav Srednego Povolzh'ya. Vestnik Omskogo GAU. 2017; 3 (27):56-63. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30467967
4. Dospehov, B.A. Metodika polevogo opyta: uchebnik. M.: «Kolos». 2011; 547. - Tekst : neposredst-vennyy. - ISBN 978-5-458-23540-2.
5. Kalaev V.N. Citogeneticheskiy monitoring zagryazneniya okruzhayuschey sredy s ispol'zovaniem rasti-tel'nyh test-ob'ektov: Avtoref. dis. …kand. biol. nauk / V. N. Kalaev: Voronezh. - VGU, 2000; 25. Rezhim dos-tupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15880552
6. Kulaichev A.P. Metody i sredstva kompleksnogo analiza dannyh. M.: FORUM: INFA-M, 2006; 512. Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19585521
7. Konovalov N. A. Pugach E. A. Osnovy lesnoy selekcii i sortovogo semenovodstva. Moskva : Lesnaya promyshlennost', 1978; 176. - Tekst : neposredstvennyy.
8. Pokoeva, M V., Yaroslavcev A. M. Ekologicheskie issledovaniya smeshannyh nasazhdeniy metodami distancionnogo zondirovaniya. Lesnoy vestnik. 2020; 3 (24):33-38. - Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43171348. DOI:https://doi.org/10.18698/2542-1468-2020-3-33-38
9. Pravila sanitarnoy bezopasnosti v lesah (postanovlenie Pravitel'stva Rossiyskoy Federacii ot 9 dekabrya 2020 g. № 2047). Elektronnyy resurs / Rezhim dostupa - http://docs.cntd.ru/document/902325555 (data obrascheniya: 02.06.2021).
10. Strategiya razvitiya lesnogo kompleksa Rossiyskoy Federacii do 2030 goda (utverzhdena rasporya-zheniem Pravitel'stva Rossiyskoy Federacii ot 11 fevralya 2021 goda № 312-r). - Elektronnyy resurs / Re-zhim dostupa - https://docs.cntd.ru/document/573658653 (data obrascheniya: 01.06.2021).
11. Chelidze V. P., Zacepina O. V. Morfofunkcional'naya klassifikaciya yadryshek. Uspehi sovremen-noy biologii. 1988; 105.(2): 252-267. - Tekst : neposredstvennyy.
12. Anatolyev, S. A. GMM, GEL, serial correlation, and asymptotic bias. ECONOMETRICA. 2005; 74(3):983-1002 Rezhim dostupa: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=13496632. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1468-0262.2005.00601.x
13. Mölder A., Meyer P., Nagel R-V. Integrative management to sustain biodiversity and ecological continuity in Central European temperate oak (Quercus robur, Q. petraea) forests: An overview. Forest Ecology and Management. 2019: 437; 324-339. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2019.01.006
14. Olave R.J., Kelleher C.T., Meehan E.J., Delêtre M. Growth and genetic predisposition of induced acorn production in pedunculate oak (Quercus robur L) within 15 years of planting. Forest Ecology and Management. 2021; 482. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118904
15. Popova A.A., Popova V.T., Dorofeeva V.D., Sorokopudova O.A. Anthropogenic environmental pressure influence on oak forest biodiversity and Quercus robur mitosis pathologies. IOP Conference Series: Earth and Envi-ronmental Science. International Jubilee Scientific and Practical Conference "Innovative Directions of Development of the Forestry Complex (FORESTRY-2018)". 2019; 012022. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/226/1/012022
16. Sevillano I., Short I., Grant J., O’Reilly C. Effects of light availability on morphology, growth and bio-mass allocation of Fagus sylvatica and Quercus robur seedlings. Forest Ecology and Management. 2016; 374:11-19. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2016.04.048
17. Vranckx G., Jacquemyn H., Mergeay J., Cox K., Kint V., Muys B., Honnay O. Transmission of genetic variation from the adult generation to naturally established seedling cohorts in small forest stands of pedunculate oak (Quercus robur L.). Forest Ecology and Management. 2014; 312. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2013.10.027
