Программы селекции деревьев: Улучшение лесов для устойчивого будущего

Леса — это жизненно важные экосистемы, предоставляющие многочисленные блага, включая древесину, поглощение углерода, сохранение биоразнообразия и защиту водосборов. По мере усиления глобальных вызовов, таких как изменение климата, вырубка лесов и растущий спрос на лесную продукцию, обеспечение здоровья и продуктивности наших лесов становится первостепенной задачей. Программы селекции деревьев являются важнейшим инструментом для достижения этой цели, используя принципы генетики и селекционного отбора для выведения превосходных деревьев с желаемыми признаками.

Что такое селекция деревьев?

Селекция деревьев, также известная как улучшение древесных пород, — это применение генетических принципов для улучшения экономически и экологически важных характеристик лесных деревьев. Она включает в себя отбор и скрещивание деревьев с превосходными признаками, такими как более быстрый рост, устойчивость к болезням, улучшенное качество древесины и адаптация к конкретным условиям окружающей среды. Цель состоит в том, чтобы произвести генетически улучшенный посадочный материал, который будет превосходить неулучшенные деревья в лесовосстановлении, лесоразведении и плантационном лесоводстве.

Важность программ селекции деревьев

Программы селекции деревьев необходимы по нескольким причинам:

• Повышение продуктивности: Улучшенные деревья растут быстрее и производят больше древесины на единицу площади, увеличивая продуктивность лесов и снижая нагрузку на естественные леса.
• Улучшение здоровья леса: Селекция на устойчивость к болезням и вредителям может минимизировать потери от вспышек, снижая потребность в химической обработке и способствуя оздоровлению лесов.
• Адаптация к изменению климата: Отбор и разведение деревьев, адаптированных к меняющимся климатическим условиям, таким как засухоустойчивость или жаростойкость, могут помочь лесам процветать в будущем климате.
• Улучшение качества древесины: Селекция деревьев может улучшить свойства древесины, такие как плотность, прочность и длина волокна, повышая ценность и универсальность лесоматериалов.
• Сохранение биоразнообразия: Используя широкий спектр родительских деревьев в программах селекции, мы можем поддерживать и даже увеличивать генетическое разнообразие в лесных популяциях, делая их более устойчивыми к стрессовым факторам окружающей среды.
• Поглощение углерода: Быстрорастущие деревья поглощают больше углекислого газа из атмосферы, способствуя смягчению последствий изменения климата.

Ключевые этапы программы селекции деревьев

Программы селекции деревьев обычно включают ряд шагов:

1. Определение целей селекции

Первый шаг — четко определить цели программы селекции. Это включает в себя определение наиболее важных для улучшения признаков с учетом конкретных потребностей региона, предполагаемого конечного использования древесины и ожидаемых будущих условий окружающей среды. Например, в регионах, сталкивающихся с усиливающейся засухой, засухоустойчивость может быть основной целью селекции. В районах, ориентированных на производство целлюлозы, приоритетом может быть длина волокна.

2. Отбор лучших деревьев (плюсовых деревьев)

Этот этап включает в себя выявление и отбор деревьев, которые демонстрируют превосходные признаки по сравнению со средней популяцией. Эти "плюсовые деревья" отбираются на основе их скорости роста, формы, устойчивости к болезням, качества древесины и других желаемых характеристик. Критерии отбора варьируются в зависимости от целей селекции. Например, в программах селекции эвкалипта в Бразилии плюсовые деревья отбираются по быстрому росту и высокому выходу целлюлозы. В программах селекции сосны на юго-востоке США ключевым критерием отбора является устойчивость к веретеновидной ржавчине.

3. Создание лесосеменных плантаций

Лесосеменные плантации — это специально спроектированные насаждения, созданные из отобранных плюсовых деревьев или их потомства. Они служат источником генетически улучшенных семян для программ лесовосстановления и лесоразведения. Лесосеменные плантации управляются таким образом, чтобы максимизировать производство семян и обеспечить их высокое качество. Существует два основных типа лесосеменных плантаций: семенные плантации сеянцевого происхождения, созданные из сеянцев или укорененных черенков, и клоновые лесосеменные плантации, созданные с помощью прививок или черенков от отобранных клонов. Клоновые лесосеменные плантации позволяют быстрее размножать превосходные генотипы. В Швеции клоновые лесосеменные плантации широко используются для программ селекции сосны обыкновенной и ели обыкновенной.

4. Контролируемое опыление и скрещивание

Контролируемое опыление включает в себя тщательный контроль спаривания отобранных деревьев для получения потомства с желаемыми признаками. Это может быть достигнуто путем искусственного опыления, когда пыльца собирается с одного дерева и используется для опыления другого, или путем использования изоляторов для предотвращения нежелательного загрязнения пыльцой. Скрещивание разных особей может сочетать желаемые признаки обоих родителей. В Новой Зеландии программы селекции сосны лучистой (radiata pine) широко используют контролируемое опыление для создания семейств с превосходным ростом и качеством древесины.

5. Испытание потомства

Испытание потомства включает посадку семян или сеянцев из разных семей (т. е. потомства разных скрещиваний) на опытных участках для оценки их продуктивности. Эти испытания проводятся в контролируемых условиях, и рост, здоровье и качество древесины деревьев тщательно отслеживаются в течение нескольких лет. Испытание потомства позволяет селекционерам выявлять лучшие семейства и отбирать наиболее перспективные особи для дальнейшей селекции. В Британской Колумбии, Канада, проводятся обширные испытания потомства для программ селекции псевдотсуги Мензиса и сосны скрученной.

6. Генетическая оценка и отбор

На основе данных, собранных в ходе испытаний потомства, селекционеры проводят генетическую оценку для определения селекционной ценности каждого дерева. Селекционная ценность — это оценка генетической ценности особи по определенному признаку. Эта информация используется для отбора лучших особей для следующего поколения селекции. В Австралии генетическая оценка является важнейшим компонентом их программы селекции Eucalyptus globulus, направленной на улучшение выхода целлюлозы и свойств древесины.

7. Селекция последующих поколений

Лучшие особи из испытаний потомства используются для создания новых лесосеменных плантаций или селекционных популяций для следующего поколения селекции. Этот процесс повторяется в течение нескольких поколений для постоянного улучшения генетического качества деревьев. Каждый цикл селекции направлен на дальнейшее улучшение желаемых признаков и адаптацию деревьев к изменяющимся условиям окружающей среды. Например, на юго-востоке США программы селекции сосны ладанной прошли несколько поколений, что привело к значительному улучшению скорости роста и устойчивости к болезням.

8. Внедрение улучшенного посадочного материала

Заключительным шагом является предоставление генетически улучшенного посадочного материала лесоустроителям и землевладельцам. Это может быть сделано путем производства семян с лесосеменных плантаций, размножения укорененных черенков или саженцев из тканевых культур от отобранных клонов, или распространения генетически улучшенных сеянцев. Обеспечение доступности высококачественного, генетически улучшенного посадочного материала имеет решающее значение для максимизации преимуществ программ селекции деревьев. В Финляндии генетически улучшенный посадочный материал из программ селекции ели и сосны широко используется в лесовосстановительных работах.

Примеры успешных программ селекции деревьев по всему миру

По всему миру было реализовано множество успешных программ селекции деревьев, демонстрирующих потенциал этой технологии для повышения продуктивности и устойчивости лесов. Вот несколько примеров:

• Сосна лучистая в Новой Зеландии: Программа селекции сосны лучистой в Новой Зеландии является одной из самых успешных в мире. За несколько поколений были достигнуты значительные улучшения в скорости роста, плотности древесины и прямолинейности ствола. Это внесло значительный вклад в лесную промышленность страны.
• Эвкалипт в Бразилии: Программы селекции эвкалипта в Бразилии были сосредоточены на улучшении скорости роста, выхода целлюлозы и устойчивости к болезням. Эти программы сыграли решающую роль в становлении Бразилии как ведущего производителя эвкалиптовой целлюлозы и бумаги.
• Сосна ладанная на юго-востоке США: Программы селекции сосны ладанной на юго-востоке США были направлены на улучшение скорости роста, устойчивости к болезням (особенно к веретеновидной ржавчине) и качества древесины. Эти программы привели к существенному увеличению производства древесины.
• Сосна обыкновенная и ель обыкновенная в Скандинавии: В скандинавских странах существуют давние программы селекции сосны обыкновенной и ели обыкновенной, направленные на улучшение скорости роста, качества древесины и адаптации к холодному климату. Эти программы способствовали устойчивому управлению их бореальными лесами.
• Тик в Индии и Юго-Восточной Азии: Программы селекции тика в Индии и Юго-Восточной Азии направлены на улучшение скорости роста, формы ствола и устойчивости к вредителям и болезням. Тик является ценной древесной породой, и эти программы имеют решающее значение для обеспечения его устойчивого производства.

Проблемы и аспекты селекции деревьев

Хотя селекция деревьев открывает значительный потенциал, существует также несколько проблем и соображений, которые необходимо учитывать:

• Длительное время смены поколений: Деревья имеют длительное время смены поколений по сравнению с сельскохозяйственными культурами, что означает, что для получения результатов селекционной работы может потребоваться много лет.
• Поддержание генетического разнообразия: Крайне важно поддерживать генетическое разнообразие в селекционных популяциях, чтобы обеспечить их устойчивость к будущим изменениям окружающей среды и вспышкам болезней. Чрезмерный отбор по нескольким признакам может привести к потере генетического разнообразия и повышенной уязвимости.
• Инбредная депрессия: Инбридинг может возникать при скрещивании близкородственных деревьев, что приводит к снижению роста и жизнеспособности. Селекционеры должны тщательно управлять селекционными популяциями, чтобы избежать инбредной депрессии.
• Адаптация к будущим климатическим условиям: При отборе деревьев для селекции важно учитывать потенциальные последствия изменения климата. Деревья, хорошо адаптированные к текущим условиям, могут быть плохо адаптированы к будущим климатам. Селекционерам необходимо отбирать деревья, которые, вероятно, будут процветать в различных будущих климатических сценариях.
• Общественное восприятие: Могут существовать общественные опасения по поводу использования генетической модификации в лесном хозяйстве. Важно четко информировать о целях и методах программ селекции деревьев и addressing any concerns that the public may have.
• Финансирование и ресурсы: Программы селекции деревьев требуют долгосрочного финансирования и ресурсов для достижения успеха. Устойчивые инвестиции необходимы для обеспечения непрерывности селекционной работы.

Будущее селекции деревьев

Будущее селекции деревьев является многообещающим, поскольку новые технологии и подходы открывают захватывающие возможности для ускорения генетического улучшения и повышения устойчивости лесов. Некоторые из ключевых тенденций в селекции деревьев включают:

• Геномика и маркер-вспомогательная селекция: Достижения в геномике позволяют селекционерам идентифицировать гены, связанные с желаемыми признаками. Маркер-вспомогательная селекция (МВС) использует ДНК-маркеры для отбора деревьев с определенными генами, ускоряя процесс селекции.
• Редактирование генома: Технологии редактирования генома, такие как CRISPR-Cas9, предоставляют возможность точно изменять гены деревьев, что позволяет быстро вводить желаемые признаки. Однако использование редактирования генома в лесном хозяйстве все еще находится на ранней стадии и вызывает этические и регуляторные вопросы.
• Количественная генетика и статистическое моделирование: Передовые статистические модели используются для анализа данных испытаний потомства и повышения точности генетических оценок. Это позволяет селекционерам принимать более обоснованные решения о том, какие деревья отбирать для селекции.
• "Умное" лесное хозяйство с учетом климата: Селекция деревьев играет все более важную роль в "умном" лесном хозяйстве, которое направлено на управление лесами для смягчения последствий изменения климата и адаптации к ним. Селекция на засухоустойчивость, жаростойкость и поглощение углерода становится все более важной.
• Международное сотрудничество: Сотрудничество между программами селекции деревьев по всему миру необходимо для обмена знаниями, гермплазмой и технологиями. Это может ускорить генетическое улучшение и помочь в решении глобальных проблем, таких как изменение климата и инвазивные вредители.

Заключение

Программы селекции деревьев — это мощный инструмент для повышения продуктивности, здоровья и устойчивости наших лесов. Применяя принципы генетики и селекционного отбора, мы можем выводить превосходные деревья, которые лучше адаптированы к изменяющимся условиям окружающей среды и способны удовлетворить растущий спрос на лесную продукцию. Поскольку мы сталкиваемся с растущими проблемами, связанными с изменением климата, вырубкой лесов и инвазивными вредителями, селекция деревьев будет играть все более важную роль в обеспечении устойчивого управления нашими лесами для будущих поколений. Продолжение инвестиций в исследования и разработки в области селекции деревьев необходимо для реализации полного потенциала этой технологии и обеспечения многочисленных благ, которые предоставляют леса.