Нехватка природных ресурсов, которая начинает все острее осознаваться человечеством, приводит ученых к пересмотру парадигмы развития и использования растительных генетических ресурсов. В важном деле сохранения генетических ресурсов растений главная роль, по мнению ведущих исследователей, принадлежит генетическим коллекциям [1, 2]. Основателем этого важного направления является академик Н.И. Вавилов, положивший начало крупнейшей коллекции растительных генетических ресурсов Российской Федерации [3].

Генетические ресурсы растений представляют собой определенную долю биоресурсов, которые содержат часть наследственного материала и непосредственно или опосредованно важны для селекционного процесса. Они сохраняют уникальное эколого-генетическое и географическое разнообразие представителей различных таксономических групп, являются резерватами признаков адаптации к неблагоприятным условиям внешней среды для селекционеров-практиков, а также могут быть использованы для организации учебного процесса в системе практико-ориентированного обучения. Важным документом, призванным помочь в организации и сохранении коллекций, является «Положение о российских коллекциях генетических ресурсов культурных растений и их диких родичей (сородичей)» [4].

В мировой практике для идентификации генресурсов применяется ботаническая систематизация; анализ систем размножения; генно-маркерный анализ; идентификация адаптивных стратегий; выявление разнообразных цитогенетических признаков (моносомных и трисомных серий, полиплоидные и анеуплоидные формы), цитоплазматические структуры и др. Для создания генетических биоресурсных коллекций достаточно широко используются методы ex situ:

1) выращивание растений на определенных полевых участках – создание так называемой «живых коллекций» или «полевых банков», в том числе клоновых посадок различных культур;

2) сохранение коллекционных образцов в виде генетических банков семян [5, 6].

Сохранение генофондов коллекций в виде семян в обычных помещениях – способ, хорошо известный и апробированный в течение многих лет ведущими исследовательскими центрами (ВИРом и др.). Обязательным условием при этом является периодический пересев коллекций. Существует как опасность потери семенами всхожести, так и возможность появления точковых мутаций и хромосомных перестроек, даже в период глубокого покоя [6].

При создании генетической коллекции многолетних бобовых трав на базе природно-ландшафтного комплекса «Ботанический сад НИУ БелГУ была поставлена цель: создать коллекционный фонд как основу для изучения биоразнообразия, полиморфизма, оценки границ изменчивости отдельных хозяйственно полезных признаков, выделения генетических доноров для использования в селекционной работе с многолетними бобовыми травами, в первую очередь с люцерной изменчивой и клевером посевным.

Материалы и методы исследования

На базе кафедры биологии и природно-ландшафтного комплекса «Ботанический сад НИУ БелГУ созданы генетические коллекции бобовых трав – видов, сорто- образцов, экотипов и форм, как культурных, так и дикорастущих представителей родов Medicago, Trifolium. Изучение проводится как на уровне одного растения, так и популяций. Коллективом ученых кафедры биологии и природно-ландшафтного комплекса «Ботанический сад НИУ БелГУ был выбран путь создания генетических биоресурсных коллекций бобовых трав ex situ. Исследования ведутся в соответствии с «Методическими указаниями по изучению коллекции многолетних кормовых трав» и другими общепринятыми методиками [7]. Коллекционный фонд служит основой для выделения исходных форм и адаптивной селекции многолетних бобовых трав на высокую кормовую и семенную продуктивность [8, 9].

Результаты исследования и их обсуждение

В мировой флоре к семейству бобовые относится более 12 тыс. видов, из которых около 1850 произрастают на территории России. В культуру же введено лишь 24 вида. Во флористическом списке Белгородской области бобовые входят в первую пятерку по количеству видов. В овражно-балочных комплексах юга Среднерусской возвышенности идентифицированы 16 хозяйственно полезных видов семейства Fabaceae. Было проведено изучение общего габитуса, длительности жизненного цикла бобовых растений, особенности распространения экологических форм и т.д. Установлено, что преобладающими среди хозяйственно полезных видов бобовых являются травянистые стержнекорневые многолетники. Спектр жизненных форм по К. Раункиеру показал, что преобладают среди бобовых гемикриптофиты – 93,75 %. К луговому флороценотипу относится 62,5 %, к степному – 25,0 % видов, встречаемых на меловых и каменистых склонах, а также конусах выноса и устьях оврагов. Остальные виды бобовых принадлежат к лесному и синантропному типам [10]. Собранная в НИУ БелГУ коллекция семейства Fabaceae хранится преимущественно ex situ в виде генетического банка семян. Пополнение коллекционного фонда ведется по следующим основным направлениям:

− сбор местных форм с высокой степенью устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам, ценным биохимическим составом;

− привлечение лучших мировых достижений современной селекции.

Способ сохранения коллекционных образцов в виде семян в условиях обычных помещений широко апробирован на протяжении длительного времени на базе ведущих научных центров (ВИРа, ВИКа и др.). При этом доказана необходимость их периодического пересева, так как даже для бобовых трав, семена которых характеризуются свойством твердосемянности (твердокаменности), есть опасность потери семенами всхожести. Также показано, что в процессе хранения в семенах продолжаются физиолого-генетические перестройки, сопровождающиеся точковыми мутациями и/или хромосомными перестройками. В результате коллекционные образцы претерпевают изменения, а также сохраняется опасность их механического и гибридогенного засорения [6].

Помимо сохранения коллекционного материала бобовых трав в форме ex situ также используется метод «живых коллекций», или «полевых банков». Однако использование этого метода имеет определенный, но важный недостаток – сложно сохранять генетическую чистоту коллекционного материала у перекрестноопыляющихся культур, к каковым относятся бобовые травы. Для поддержания коллекционных образцов создаются изолированные участки, позволяющие сохранять генетическую чистоту семян. Но при этом метод живых коллекций имеет и очень ценное преимущество – позволяет использовать генетическую коллекцию для проведения лабораторных занятий, при выполнении курсовых и бакалаврских работ, магистерских диссертаций студентами кафедры биологии НИУ БелГУ. Особое внимание в Ботаническом саду уделяется изучению видов, сортов и экотипов люцерны. Коллекция этой ценной кормовой культуры, представленная в НИУ «БелГУ», начала формироваться еще в 1970-е гг. уси- лиями известных отечественных селекционеров: академика РАН А.А. Гончаренко и д.с.-х.н., проф. И.К. Ткаченко. Их работа была продолжена в 1990–2000-х гг. учениками: д.с.-х.н. В.И. Чернявских, д.б.н. Е.В. Думачевой, к.с.-х.н. Т.Н. Глубшевой, к. с.-х. н. Ю.Н. Куркиной, к.с.-х.н. К.Н. Ионовым и другими. В результате собрана обширная коллекция – более 600 сортов, сортообразцов культурных и дикорастущих форм рода Medicago L. Коллекционные номера отбирались путем мобилизации селекционных образцов и сортов Советского Союза, стран Восточной и Западной Европы, США, привлечением местных сортообразцов и форм из коллекции ВИРа. Важным этапом пополнения коллекций были экспедиционные сборы в 1980–2000-е гг., проведенные на территории Украины, России, Белоруссии, закавказских и среднеазиатских республик. Выделенные в течение многих лет исследований источники ценных биологических и хозяйственных признаков активно используются в настоящее время для работы по различным направлениям селекции люцерны на кормовую ценность, снижение содержания сапонинов, высокую семенную продуктивность, устойчивость к вредителям и болезням, засухоустойчивость, устойчивость к карбонатным почвам.

Для включения образца в коллекцию предварительно изучается его генеалогия, пригодность для конструирования смешанных агроценозов, эдафическая и фитоценотическая комплементарность. Ведется описание каждого образца по ряду количественных признаков: форма розетки осеннего или весеннего отрастания; форма куста; стебли (высота; грубость; опушение; окраска узлов; ветвистость); среднее число междоузлий и амплитуда колебаний; кустистость (сильная, средняя, слабая); облиственность; листья (величина; форма; опушение; окраска; восковой налет; степень мягкости); прилистники (форма; опушение; окраска); соцветие (форма; длина; степень рыхлости; окраска); бобы (величина, форма, окраска, количество завитков); семена (величина; форма; цвет; % твердых семян); корневая система (мощность развития; выраженность главного корня; наличие клубеньков). В результате многолетних циклов авторами были выделены и изучены формы – источники ценных хозяйственных признаков, обладающие высокой общей комбинационной способностью (ОКС) в питомниках поликросса по продуктивности надземной массы (номера Л 450–455 – местные формы с карбонатных обнажений); по семенной продуктивности (Л 235–239 – индивидуальные отборы из сорта Белгородская 86); высокой облиственностью (Л 347–352 – носители mf-мутации); устойчивые к аскохитозу (Л-346, Л-492), которые стали гендонорами для новых сортов люцерны изменчивой Краснояружская 1, Краснояружская 2, Алексеевская 1 и Глория. В табл. 1 приведен фрагмент дескриптора коллекции рода Medicago L., который предназначен для информирования селекционеров, биологов, ботаников, работающих с генетическими коллекциями, с целью обмена образцами для использования в фундаментальных, поисковых и прикладных исследованиях.

Аналогичная работа в настоящее время ведется с видами, сортами и сортообразцами рода Trifolium L., коллекция которых насчитывает более 150 номеров. В табл. 2 приведен перечень номеров коллекции, оличающихся высокой декоративностью, что является важным для формирования сортов газонного типа.

С использованием доноров ценных селекционных признаков создан и включен в Государственный реестр селекционных достижений сорт клевера ползучего Краснояружский, передан в 2018 г. в Госсортоиспытание новый сорт клевера ползучего Илёк. Идет работа по сбору генетического материала и закладке генетических и биоресурсных коллекций других хозяйственно ценных родов семейства Fabaceae. На очереди – создание генетических коллекций, хранящих генофонды лекарственных и ароматических растений, включая виды фармакологические, необходимые для селекции на фитонцидные, гомеопатические, адаптогенные, антиоксидантные и антимикробные свойства.

Выводы

1. Для полноценного использования и сохранения генетического разнообразия растительных ресурсов региона проведена большая работа по формированию коллекционного фонда хозяйственно ценных родов бобовых трав, разработаны дескрипторы генетических коллекций люцерны изменчивой и клевера ползучего.

2. На базе генетической биоресурсной коллекции бобовых трав НИУ БелГУ созданы условия для быстрого поиска необходимого для селекционной работы исходного генетического материала, контроль за поддержанием образцов в живом виде или в виде банка семян.

3. Выделены доноры ценных хозяйственных признаков (высокой семенной продуктивности и продуктивности надземной массы; облиственности; устойчивости к аскохитозу), которые стали исходным материалом для новых сортов люцерны изменчивой Краснояружская 1, Краснояружская 2, Алексеевская 1 и Глория, а также клевера ползучего (Краснояружский и Илёк).

Исследование выполнено при поддержке гранта на проведение НИР по приоритетным направлениям развития агропромышленного комплекса Белгородской области (Соглашение № 2 от 12 ноября 2018 г.) на тему: «Формирование селекционно-семеноводческой базы медоносных культур в условиях малых форм хозяйствования».