Програми селекції дерев: Покращення лісів для сталого майбутнього

Ліси — це життєво важливі екосистеми, що надають численні переваги, включаючи деревину, поглинання вуглецю, збереження біорізноманіття та захист водозборів. Оскільки глобальні виклики, такі як зміна клімату, вирубка лісів та зростання попиту на лісопродукцію, посилюються, забезпечення здоров'я та продуктивності наших лісів стає першочерговим завданням. Програми селекції дерев є ключовим інструментом для досягнення цієї мети, використовуючи принципи генетики та селективного відбору для виведення кращих дерев з бажаними ознаками.

Що таке селекція дерев?

Селекція дерев, також відома як покращення дерев, — це застосування генетичних принципів для вдосконалення економічно та екологічно важливих характеристик лісових дерев. Вона включає відбір та розведення дерев з кращими ознаками, такими як швидший ріст, стійкість до хвороб, покращена якість деревини та адаптація до конкретних умов навколишнього середовища. Мета полягає у виробництві генетично покращеного садивного матеріалу, який буде ефективнішим за непокращені дерева при лісовідновленні, залісненні та плантаційному лісівництві.

Важливість програм селекції дерев

Програми селекції дерев є важливими з кількох причин:

• Підвищення продуктивності: Покращені дерева ростуть швидше і дають більше деревини з одиниці площі, що підвищує продуктивність лісів та зменшує тиск на природні ліси.
• Покращення здоров'я лісу: Селекція на стійкість до хвороб і шкідників може мінімізувати втрати від спалахів, зменшуючи потребу в хімічній обробці та сприяючи здоров'ю лісів.
• Адаптація до зміни клімату: Відбір та розведення дерев, адаптованих до мінливих кліматичних умов, таких як посухостійкість або жаростійкість, може допомогти лісам процвітати в майбутньому кліматі.
• Покращення якості деревини: Селекція дерев може покращити властивості деревини, такі як щільність, міцність та довжина волокна, підвищуючи цінність та універсальність лісоматеріалів.
• Збереження біорізноманіття: Використовуючи широкий спектр батьківських дерев у програмах селекції, ми можемо підтримувати і навіть посилювати генетичне різноманіття в лісових популяціях, роблячи їх більш стійкими до стресових факторів навколишнього середовища.
• Поглинання вуглецю: Дерева, що ростуть швидше, поглинають більше вуглекислого газу з атмосфери, сприяючи пом'якшенню наслідків зміни клімату.

Ключові етапи програми селекції дерев

Програми селекції дерев зазвичай включають низку етапів:

1. Визначення цілей селекції

Першим кроком є чітке визначення цілей програми селекції. Це включає визначення найважливіших ознак для покращення, враховуючи специфічні потреби регіону, передбачуване кінцеве використання деревини та очікувані майбутні умови навколишнього середовища. Наприклад, у регіонах, що стикаються зі зростаючою посухою, посухостійкість може бути основною метою селекції. У районах, орієнтованих на виробництво целюлози, пріоритетом може бути довжина волокна.

2. Відбір кращих дерев (плюсових дерев)

Цей етап включає ідентифікацію та відбір дерев, які демонструють кращі ознаки порівняно із середньою популяцією. Ці "плюсові дерева" обираються на основі їхньої швидкості росту, форми, стійкості до хвороб, якості деревини та інших бажаних характеристик. Критерії відбору залежать від цілей селекції. Наприклад, у програмах селекції евкаліптів у Бразилії плюсові дерева відбирають за швидкий ріст та високий вихід целюлози. У програмах селекції сосни на південному сході США ключовим критерієм відбору є стійкість до веретеноподібної іржі.

3. Створення насіннєвих плантацій

Насіннєві плантації (або насіннєві сади) — це спеціально спроектовані насадження, створені з відібраних плюсових дерев або їхнього потомства. Вони слугують джерелом генетично покращеного насіння для програм лісовідновлення та заліснення. Насіннєві плантації управляються таким чином, щоб максимізувати виробництво насіння та забезпечити його високу якість. Існує два основних типи насіннєвих плантацій: насіннєві плантації, закладені сіянцями або вкоріненими живцями, та клонові насіннєві плантації, закладені щепленнями або живцями з відібраних клонів. Клонові насіннєві плантації дозволяють швидше розмножувати кращі генотипи. У Швеції клонові насіннєві плантації широко використовуються для програм селекції сосни звичайної та ялини європейської.

4. Контрольоване запилення та схрещування

Контрольоване запилення передбачає ретельний контроль спарювання відібраних дерев для отримання потомства з бажаними ознаками. Це може бути досягнуто шляхом штучного запилення, коли пилок збирається з одного дерева і використовується для запилення іншого, або за допомогою ізоляторів для запобігання небажаному забрудненню пилком. Схрещування різних особин може поєднувати бажані ознаки обох батьків. У Новій Зеландії програми селекції сосни променистої (Pinus radiata) широко використовують контрольоване запилення для створення родин з кращим ростом та якістю деревини.

5. Випробування потомства

Випробування потомства включає висаджування насіння або сіянців з різних родин (тобто потомства від різних схрещувань) на дослідних ділянках для оцінки їхньої продуктивності. Ці випробування проводяться в контрольованих умовах, а ріст, здоров'я та якість деревини дерев ретельно відстежуються протягом кількох років. Випробування потомства дозволяє селекціонерам визначати найкращі родини та відбирати найбільш перспективних особин для подальшої селекції. У Британській Колумбії, Канада, проводяться масштабні випробування потомства для програм селекції дугласії та сосни скрученої.

6. Генетична оцінка та відбір

На основі даних, зібраних з випробувань потомства, селекціонери проводять генетичну оцінку для визначення селекційної цінності кожного дерева. Селекційна цінність — це оцінка генетичної вартості особини за певною ознакою. Ця інформація використовується для відбору найкращих особин для наступного покоління селекції. В Австралії генетична оцінка є критично важливим компонентом програми селекції Eucalyptus globulus, яка спрямована на покращення виходу целюлози та властивостей деревини.

7. Селекція наступних поколінь

Найкращі особини з випробувань потомства використовуються для створення нових насіннєвих плантацій або селекційних популяцій для наступного покоління селекції. Цей процес повторюється протягом кількох поколінь для постійного покращення генетичної якості дерев. Кожен селекційний цикл спрямований на подальше вдосконалення бажаних ознак та адаптацію дерев до мінливих умов навколишнього середовища. Наприклад, на південному сході США програми селекції сосни ладанної пройшли кілька поколінь селекції, що призвело до значного покращення темпів росту та стійкості до хвороб.

8. Впровадження покращеного садивного матеріалу

Останнім кроком є надання генетично покращеного садивного матеріалу лісогосподарським підприємствам та землевласникам. Це може здійснюватися через виробництво насіння з насіннєвих плантацій, розмноження вкорінених живців або рослин з культури тканин відібраних клонів, або розповсюдження генетично покращених сіянців. Забезпечення наявності високоякісного, генетично покращеного садивного матеріалу є вирішальним для максимізації переваг програм селекції дерев. У Фінляндії генетично покращений садивний матеріал з програм селекції ялини та сосни широко використовується в лісовідновленні.

Приклади успішних програм селекції дерев у світі

Численні успішні програми селекції дерев були реалізовані по всьому світу, демонструючи потенціал цієї технології для покращення продуктивності та стійкості лісів. Ось кілька прикладів:

• Сосна промениста (Radiata Pine) у Новій Зеландії: Програма селекції сосни променистої в Новій Зеландії є однією з найуспішніших у світі. Протягом кількох поколінь вона досягла значних покращень у темпах росту, щільності деревини та прямолінійності стовбура. Це зробило значний внесок у лісову промисловість країни.
• Евкаліпт у Бразилії: Програми селекції евкаліптів у Бразилії були зосереджені на покращенні темпів росту, виходу целюлози та стійкості до хвороб. Ці програми відіграли вирішальну роль у становленні Бразилії як провідного виробника евкаліптової целюлози та паперу.
• Сосна ладанна (Loblolly Pine) на південному сході США: Програми селекції сосни ладанної на південному сході США були зосереджені на покращенні темпів росту, стійкості до хвороб (особливо до веретеноподібної іржі) та якості деревини. Ці програми призвели до значного збільшення виробництва деревини.
• Сосна звичайна та ялина європейська в Скандинавії: Скандинавські країни мають давні програми селекції сосни звичайної та ялини європейської, спрямовані на покращення темпів росту, якості деревини та адаптації до холодного клімату. Ці програми сприяли сталому управлінню їхніми бореальними лісами.
• Тік в Індії та Південно-Східній Азії: Програми селекції тіка в Індії та Південно-Східній Азії спрямовані на покращення темпів росту, форми стовбура та стійкості до шкідників і хвороб. Тік є цінною деревною породою, і ці програми є вирішальними для забезпечення його сталого виробництва.

Виклики та міркування в селекції дерев

Хоча селекція дерев пропонує значний потенціал, існують також кілька викликів та міркувань, які слід враховувати:

• Тривалий час зміни поколінь: Дерева мають тривалий час зміни поколінь порівняно з сільськогосподарськими культурами, що означає, що для отримання результатів селекційних зусиль можуть знадобитися багато років.
• Підтримка генетичного різноманіття: Важливо підтримувати генетичне різноманіття в селекційних популяціях, щоб забезпечити їхню стійкість до майбутніх змін навколишнього середовища та спалахів хвороб. Надмірний відбір за кількома ознаками може призвести до втрати генетичного різноманіття та підвищеної вразливості.
• Інбридингова депресія: Інбридинг може виникати при схрещуванні близькоспоріднених дерев, що призводить до зниження росту та життєздатності. Селекціонери повинні ретельно керувати селекційними популяціями, щоб уникнути інбридингової депресії.
• Адаптація до майбутніх кліматичних умов: Важливо враховувати потенційні наслідки зміни клімату при відборі дерев для селекції. Дерева, добре адаптовані до поточних умов, можуть бути погано адаптовані до майбутніх кліматичних умов. Селекціонерам необхідно відбирати дерева, які, ймовірно, будуть процвітати в різних майбутніх кліматичних сценаріях.
• Суспільне сприйняття: Можуть виникати суспільні побоювання щодо використання генетичної модифікації в лісовому господарстві. Важливо чітко інформувати про цілі та методи програм селекції дерев та реагувати на будь-які занепокоєння, які можуть виникнути у громадськості.
• Фінансування та ресурси: Програми селекції дерев потребують довгострокового фінансування та ресурсів для досягнення успіху. Стабільні інвестиції є необхідними для забезпечення безперервності селекційних зусиль.

Майбутнє селекції дерев

Майбутнє селекції дерев є багатообіцяючим, оскільки нові технології та підходи пропонують захоплюючі можливості для прискорення генетичного покращення та підвищення стійкості лісів. Деякі з ключових тенденцій у селекції дерев включають:

• Геноміка та маркер-асоційована селекція: Досягнення в геноміці дозволяють селекціонерам ідентифікувати гени, пов'язані з бажаними ознаками. Маркер-асоційована селекція (МАС) використовує ДНК-маркери для відбору дерев з певними генами, що прискорює процес селекції.
• Редагування геному: Технології редагування геному, такі як CRISPR-Cas9, пропонують потенціал для точної модифікації генів дерев, що дозволяє швидко вводити бажані ознаки. Однак використання редагування геному в лісовому господарстві все ще перебуває на ранніх стадіях і викликає етичні та регуляторні питання.
• Кількісна генетика та статистичне моделювання: Передові статистичні моделі використовуються для аналізу даних випробувань потомства та підвищення точності генетичних оцінок. Це дозволяє селекціонерам приймати більш обґрунтовані рішення щодо того, які дерева відбирати для селекції.
• Кліматично-орієнтоване лісове господарство: Селекція дерев відіграє все більш важливу роль у кліматично-орієнтованому лісовому господарстві, яке має на меті управління лісами для пом'якшення наслідків зміни клімату та адаптації до них. Селекція на посухостійкість, жаростійкість та поглинання вуглецю стає все більш важливою.
• Міжнародна співпраця: Співпраця між програмами селекції дерев по всьому світу є важливою для обміну знаннями, гермоплазмою та технологіями. Це може прискорити генетичне покращення та допомогти у вирішенні глобальних проблем, таких як зміна клімату та інвазивні шкідники.

Висновок

Програми селекції дерев є потужним інструментом для підвищення продуктивності, здоров'я та стійкості наших лісів. Застосовуючи принципи генетики та селективного відбору, ми можемо виводити кращі дерева, які краще адаптовані до мінливих умов навколишнього середовища та здатні задовольнити зростаючий попит на лісопродукцію. Оскільки ми стикаємося зі зростаючими викликами, пов'язаними зі зміною клімату, вирубкою лісів та інвазивними шкідниками, селекція дерев відіграватиме все більш важливу роль у забезпеченні сталого управління нашими лісами для майбутніх поколінь. Постійні інвестиції в дослідження та розробки в галузі селекції дерев є необхідними для реалізації повного потенціалу цієї технології та забезпечення численних переваг, які надають ліси.