Atgal

Tema B-9. Lapuočių medžių rūšių genetinių savybių išreikštumas kintančiomis ekologinėmis sąlygomis, jų adaptacinio bei selekcinio potencialo įvertinimas

Project No.B-9. Expression of genetic peculiarities of broad-leaved forest tree species under changing environment, evaluation of species adaptive and breeding potential.

English version

2004-2008 m., projektas finansuojamas iš Valstybės biudžeto,
vadovas - dr. A.Pliūra, pagr. vykdytojai: dr. V.Baliuckas, dr. R.Petrokas, dokt. A.Baliuckienė, dokt. R.Petrokas, techn. F.Kniečiūnienė, T.Balkus

 

Įvairiose šalyse atliekami tyrimai rodo, kad skirtingos medžių rūšys ir jų populiacijos skiriasi adaptyvinių požymių genetinės variacijos lygiu, populiacine struktūra, plastiškumu, ekologinės reakcijos pobūdžių ir kitomis eko-genetinėmis savybėmis, galinčiomis nulemti atskirų medžių rūšių adaptacijos ir net išlikimo galimybes, vykstant globaliems klimato pokyčiams bei lokaliems aplinkoms pokyčiams dėl miškininkystės technologijų, rekreacijos ir kitokios žmogaus veiklos poveikio.

Tyrimų tikslas - ištirti lapuočių medžių rūšių genetines savybes skirtingomis aplinkos sąlygomis, ir įvertinti rūšių adaptacinį bei selekcinį potencialą.

Tyrimų uždaviniai:

  • įvertinti karpotojo beržo, paprastojo ąžuolo, juodalksnio ir paprastojo uosio populiacijų ir šeimų genotipo sąveiką su aplinka (G x E), jų fenotipinį plastiškumą ir ekogenetinį jautrumą, t.y. jų genetinių savybių išreikštumo priklausomybę nuo aplinkos sąlygų kilmės vietoje ir jų pokyčio perkeliant jų palikuonis įvairiuose ekologiniuose gradientuose,
  • nustatyti karpotojo beržo ir paprastojo uosio adaptyvumo, produktyvumo, stiebų ir medienos kokybės požymių bei molekulinių žymenų genetinę variaciją ir jos pasiskirstymą tarp populiacijų ir populiacijose bei priklausomybę nuo ekologinių sąlygų, požymių paveldėjima ir genetinę koreliaciją,
  • ištirti paprastojo ąžuolo ir juodalksnio populiacinę (geografinę ir choreologinę) struktūrą, tuo papildant ankstesnės tematikos vykdymo metu gautus tyrimų rezultatus apie šių medžių rūšių požymių genetinę variaciją.
  • Tiriama pagrindinių lapuočių medžių rūšių biologinė-genetinė medžiaga, surinkta Lietuvos populiacijose plačiame ekoklimatinių sąlygų spektre. Tęsiamas bendradarbiavimas tarptautinėse Europos sąjungos programose (FP6 programa) bei užsienio projektuose atliekant tiek Lietuvos, tiek ir užsienio populiacijų (Švedijos, Suomijos, Prancūzijos, Vokietijos, Lenkijos ir kt.) bei kitų medžių rūšių (tuopų hibridų, kaštainio ir kt.) genetinius tyrimus.

    Gautos mokslinės informacijos pagrindu numatoma įvertinti adaptacijos, evoliucijos, selekcijos ir genetinių išteklių išsaugojimo tendencijos ir galimybės globaliai besikeičiančiomis ekologinėmis sąlygomis, patikslinti dabar galiojantį provenencijų rajonavimą, patobulinti selekcijos ir genetinių išteklių programas ir metodikas, parengti rekomendacijas populiacijų genetiniam tvarumui ir, kartu, bendrajam miškų tvarumui didinti, praktinei selekcijai vystyti bei nacionalinių genetinių išteklių išsaugojimui plėtoti. Tyrimų rezultatai publikuojami tarptautinėje bei Lietuvos mokslinėje spaudoje bei pateikti internete miškininkų visuomenei.

    Lapuočių medžių rūšių genetiniai tyrimai bus atliekami 19 lauko eksperimentinių želdinių (33 ha ploto), įkurtų skirtingomis ekologinėmis sąlygomis, bei eksperimentų klimatinėse kamerose pagrindu, o taip pat - integruojant su DNR molekulinių žymenų tyrimais. Bus toliau plėtojama eksperimentinė bazė ilgalaikiams genetiniams tyrimams, efektyviai praktinei selekcijai ekogenetiniu pagrindu vystyti bei nacionaliniams genetiniams ištekliams išsaugoti: atrinktos vertingiausios evoliuciniu ir selekciniu požiūriu populiacijos, pliusiniai medžiai, šeimos bei genotipai jose, plečiamas eksperimentinių želdinių - ex situ genetinių tyrimo, selekcinių ir genetinių išteklių išsaugojimo „sintetinių“ populiacijų tinklas, įveisiant paprastojo uosio, bekočio ąžuolo, miškinės kriaušes ir kitų medžių rūšių ilgalaikius eksperimentus.

    2004-tais metais paruošta tyrimų programa-metodika: aptartas tyrimų aktualumas, išanalizuotos mokslinės publikacijos, apibrėžtas lapuočių medžių rūšių ilgalaikių eko-genetinių tyrimų tikslas ir uždaviniai bei pateikta detali tyrimų metodika pagal numatytas tyrimo kryptis.

    2005-tais metais ištyrus medienos ir stiebų kokybės bei augimo požymių kintamumą 24-ių karpotojo beržo populiacijų palikuonių eksperimentiniuose želdiniuose, patikimų skirtumų tarp populiacijų pagal medienos kietumą nenustatyta, tačiau genetiniai skirtumai tarp šeimų buvo esminiai, ir genetinės variacijos koeficientas visame bandyme siekė 4,6%. Paveldėjimo koeficientas buvo aukštas – 0,85. Visa tai rodo medienos kietumo ir medienos tankio selekcinio pagerinimo galimybę. Genetinės variacijos koeficientas populiacijose siekė nuo 0 iki 12,7%, kas rodo nevienodą šių populiacijų selekcinę vertę - šeimų ir genotipų atrankos galimybes. Tuo tarpu, medelių augimo genetinė variacija buvo gerokai didesnė – atskirose populiacijose kito nuo 5,6 iki 38,2 %. Surasta tik nestipri genetinė koreliacija tarp medienos kietumo ir medžių augimo į aukštį bei kompleksinio selekcinio indekso taip pat yra palanki selekcijai pagal medienos kietumą vystyti.

     

    1 pav. Karpotojo beržo populiacijų palikuonių medienos kietumo, šakotumo ir augimo rodiklių matavimas eksperimentiniuose želdiniuose (Dubravos EMMU Kačerginės g-ja)

     

    Klimatinėse kamerose atlikti karpotojo beržo populiacijų palikuonių augimo tyrimai įvairių stresorių poveikyje parodė, kad genetinių veiksnių - populiacijų ir šeimų - įtaka medelių aukščiui, lapo pločiui ir lapų pakenkimams buvo esminė. Dygimo stadijoje ultravioletinis spinduliavimas (UV-B) sumažino augimą ir jo genetinę variaciją, o kompleksinis UV-B ir ozono (O3) poveikis intensyvaus sėjinukų augimo stadijoje iššaukė stiprų augimo požymių genetinės variacijos padidėjimą: medelių aukščio genetinė variacija padidėjo nuo 23,7-38,6 iki 33,7-65,7 %, o lapų pločio - nuo 10,2-13,9 iki 13,6-31,8 %.

    Skirtingos populiacijos ir šeimos pademonstravo besiskiriantį atsaką į UV-B ir O3 poveikį pagal augimą ir genetinės variacijos pokyčius populiacijų viduje. Tokie pokyčiai juvenaliniame amžiuje stresorių poveikyje gali lemti sunkiai prognozuojamus naujai besiformuojančių populiacijų adaptacijos, tvarumo bei konkurencingumo pokyčius. Kryžminio poveikio UV-B ir O3 bandymais nustatyta kompensacinė adaptacija - pirmasis silpnas stresoriaus poveikis susilpnino antrojo stipraus poveikio neigiamą efektą. Efektyvesnė kompensacinė adaptacija pagal sėjinukų lapo plotą bei lapų pažeidimus pasireiškė, kai augalai buvo paveikti silpnomis preadaptacinėmis UV-B dozėmis.

     

    2 pav. Karpotojo beržo populiacijų (C ir M, pavaizduota stulpeliais) ir šeimų sėjinukų lapų pažeidimų vidurkių kitimo amplitudė (pavaizduota vertikaliomis linijomis) skirtinguose kombinuoto UV-B ir O3 poveikio variantuose. Skaičiai ties stulpeliais nurodo CVA populiacijose

    Paprastojo uosio populiacijų palikuonių DNR žymenų tyrimais nustatyta, kad genetinė žymenų įvairovė tarp populiacijų siekia 8,3% ir yra žymiai mažesnė nei įvairovė populiacijose. Pastebėtas žymenų variacijos mažėjimas einant iš Lietuvos vakarinių jūrinio klimato link rytinių kontinentinio klimato populiacijų. DNR žymenų tyrimais nustatyta uosio populiacinė struktūra mažai siejasi su kilmės rajonais, išskirtais ekologinio ir miškų našumo zonavimo pagrindu

    Buvo nustatyta, kad kultūrintų kriaušių klonų morfologinių požymių įvairovė didesnė negu laukinių kriaušių klonų. Nustatytos trys peroksidazės izoformos, kurios buvo specifinės tik kultūrintų kriaušių klonams bei hibridiniams klonams. Patikimam laukinės kriaušės identifikavimui būtina panaudoti daugiau fermentinių sistemų arba naudoti DNR žymenų metodus

    Bendradarbiaujant su partneriais iš Švedijos žemės ūkio mokslų universiteto, atlikti paprastojo šermukšnio Švedijos populiacijų adaptacinių požymių genetiniai tyrimai. Visiems požymiams surastas populiacinis efektas. Buvo nustatytas genetinių parametrų kitimas amžiaus bėgyje: fenologinių požymių – pumpurų sprogimo laiko ir lapų metimo laiko genetinė variacija didėjo atitinkamai nuo 12,3 iki 18,6 % ir nuo 6,2 iki 58,4 %, o paveldėjimo koeficientai – atitinkamai nuo 0,40 iki 0,57 ir nuo 0,31 iki 0,62; tuo tarpu medelių aukščio genetinė variacija mažėjo nuo 16,3 iki 10,4 %, o paveldėjimas - nuo 0,39 iki 0,19.

    Bendradarbiaujant Europos Sąjungos FP6 mokslo programoje CASCADE klimatinėse kamerose ir lauko bandymuose ištirtas valgomojo kaštainio Europos populiacijų adaptacinių ir fiziologinių požymių bei genetinių žymenų geografinis genetinis kintamumas ir populiacinė struktūra. Požymių genetinė variacija kito priklausomai nuo bandymo aplinkos sąlygų: medelių aukščio – nuo 16,2 iki 28,3 %, biomasės – nuo 33,6 iki 46,8 %, pumpurų sprogimo laiko – nuo 5,5 iki13,6 %, anglies izotopo diskriminanto – nuo2,6 iki 4,6 %. Pagal kiekvienos populiacijos požymių adityvinę genetinę variaciją ir populiacijos divergenciją įvertintas kiekvienos populiacijos evoliucinis potencialas ir išlikimo galimybės vykstant globaliems klimato pokyčiams.

    Bendradarbiaujant su partneriais iš Kanados miško produkcijos tyrimo instituto (Forintek) bei Lavalo universiteto, dvejuose eksperimentiniuose želdiniuose Kvebeke ištirti skirtingų tuopų hibridų klonų medienos kokybės požymiai, jų genetinis kintamumas, paveldėjimas bei įvertintos selekcijos galimybės. Nustatyti patikimi skirtumai tarp tuopų hibridų pagal sausą biomasę, medienos tankį ir susitraukimą džiūnant. Medienos tankio genetinė variacija siekė 9,8 % ir buvo mažesnė nei augimo rodiklių (11,9-28,7 %), o medienos išilginio, radialinio ir tangentinio susitraukimo genetinė variacija siekė atitinkamai 55,9, 25,4 ir 17,5 %.

    Atliktų tyrimų rezultatai 2005-tais metais publikuoti 4-se straipsniuose tarptautiniuose recenzuojamose mokslo žurnaluose su ISI citavimo indeksu, įtrauktuose į WOS duomenų bazes, 7-se straipsniuose recenzuojamoje tarptautinėje ir Lietuvos spaudoje, bei pateikti 5-se naujuose parengtuose spaudai straipsniuose.

    Plėtojant tyrimų ilgalaikę eksperimentinę bazę, skirtinguose Lietuvos miško gamtiniuose regionuose 2005m buvo įveisti paprastojo uosio 140 šeimų iš 10-ties Lietuvos populiacijų ir 180 šeimų iš 14-os vakarų Europos populiacijų trijų eksperimentinių želdinių serija (Kėdainių, Telšių ir Pakruojo miškų urėdijose, viso 8,5 ha plote) bei bekočio ąžuolo (0,04 ha plote) ir paprastojo uosio (0,09 ha plote) populiacijų palikuonių šeimų trumpalaikiai bandymai Dubravos EMMU.

     

    2006-tais metais 10-ies Lietuvos ir 14 vakarų Europos paprastojo uosio populiacijų 320 palikuonių šeimų tyrimais 3-se eksperimentiniuose želdiniuose nustatyta, kad Lietuvos populiacijos pasižymi ankstesniu pumpurų sprogimu, ir geresne medelių būkle nei Europos populiacijos, tačiau atsilieka pagal medelių aukštį. Nustatyta, kad ankstyvesne augimo pradžia pasižyminčios populiacijos ir šeimos buvo geresnės sveikatingumo būklės (3 pav.) Populiacinis ir šeimų efektas adaptacinių požymių kintamumui buvo patikimas. Bendra genetinė variacija aukšta - siekia 30,3-40,8%. Atskirose populiacijose genetinė variacija buvo nuo 6,4 iki 29,3%, kas rodo nevienodas populiacijų genetinės adaptacijos galimybes. Genotipo ir aplinkos sąveika buvo patikima bet nestipri. Tik Šakių ir Kupiškio populiacijoms buvo būdinga tiek didelė adaptacinių požymių, tiek ir molekulinių RAPD žymenų genetinė variacija, o kitose populiacijose šių požymių genetinės variacijos mastai skyrės.

     

    3 pav. Paprastojo uosio Lietuvos ir vakarų Europos populiacijų palikuonių medelių sveikatingumas (būklė) ir pumpurų sprogimo fenologija skirtinguose eksperimentiniuose želdiniuosee

     

    Klimatinėse kameros atlikti paprastojo uosio populiacijų palikuonių šeimų tyrimai parodė, kad ozono (O3) poveikis buvo patikimas tik lapų pažeidimų požymiams. Genetinių veiksnių – populiacijų ir šeimų – įtaka buvo esminė tik medelių aukščio prieaugiui. Praėjus metams po eksperimento, atsirado patikimi skirtumai tarp populiacijų pagal medelių aukštį. Šeimų įtaka buvo patikima ir aukšta medelių aukščiui, bet nestipri skersmeniui ir aukščio prieaugiui. Ozono poveikis sumažino medelių aukščio genetinę variaciją (4 pav.). Skirtingos populiacijos ir šeimos pademonstravo besiskiriantį atsaką į ozono poveikį pagal požymių išreikštumo ir požymių genetinės variacijos pokyčius.

     

    4 pav. Paprastojo uosio populiacijų ir pusiausibų palikuonių šeimų medelių aukščio vidurkiai klimatinėse kamerose paveikus skirtingomis ozono koncentracijomis (kontrolė, 80 ir 240 µg /m3)

    Išnagrinėjus savaime plintančių obelų skiriamuosius ypatumus, nustatyta, kad vaisių dengiančiosios spalvos nebuvimas yra skiriamasis Malus sylvestris Mill. medžių požymis. Tokiu požymiu taip pat laikytina lapų peroksidazės izoforma, kurios Rf=0,67, bei Rf=0,43 izomorfos nebuvimas. Įvertinus peroksidazės izofermentinės sudėties kaitą pusiausibų šeimose nustatyta, kad homogeniškiausioms šeimoms, kurių motinmedžiai buvo su dygliais, būdingas didesnis identiškų genotipų procentas lyginant su heterogeniškiausiomis šeimomis, kurių motinmedžiai buvo be dyglių. Identiškų genotipų nustatymas rodo, kad šalia lytinės reprodukcijos, galima ir nelytinė reprodukcija.

    Įvertinus LSDI kolekcijų kriaušės klonų lapų peroksidazės izofermentinės sudėties skirtumus nustatyta, kad Pietvakarių Lietuvoje savaime plintančios kriaušės yra ne tarprūšiniai miškinės kriaušės (Pyrus pyraster ssp. pyraster Borkh.) ir naminės (P. communis L.), bet vidurūšiniai dviejų miškinės kriaušės (P. pyraster (L.) Burgsd.) porūšių - ssp. pyraster Borkh. ir ssp. achras Gaertn. - mišrūnai.

    Tiriant tuopų hibridų klonų augimo ir medienos kokybės požymių genetinius parametrus ir jų pokyčius amžiaus bėgyje 4-se kloniniuose želdiniuose nustatyta, kad medienos tankio genetinė variacija per 10 metų išliko stabili ir siekė 4,8-6,8 %, o pavelėjimo koeficientas padidėjo nuo 0,46 iki 0,79. Neigiama koreliacija tarp medienos tankio ir rievių pločio rasta tik dviejuose iš keturių želdinių ir ši mažėjo amžiaus bėgyje. Augavietės efektas medienos savybių požymiams amžiaus bėgyje didėjo. Didžiausia genetine variacija pasižymėjo sauso pluošto masė (CVA siekė 32,8%) ir esant pakankamai aukštam paveldėjimui (H2=0,67), šis požymis laikytinas ypač vertingu selekciniu požymiu.

    Tyrimų rezultatai pateikiami 2-se 2006-tais metais publikuotuose bei priimtuose spaudai leidiniuose su ISI citavimo indeksu, įtrauktuose į WOS duomenų bazes, bei 2-se straipsniuose leidiniuose, įtrauktuose į kitas tarptautines duomenų bazes

     

    2007-tais metais tirtas juodalksnio, karpotojo beržo ir guobinių populiacijų palikuonių šeimų bei tuopų hibridų adaptyvumo, produktyvumo, kokybės ir kitų požymių/savybių išreikštumas, genetinė variacija, paveldėjimas, populacinė struktūrizacija, genotipo ir aplinkos sąveika (GxE), populiacijų ir šeimų fenogenetinis plastiškumas ir reakcija į aplinkos pokyčius skirtingomis ekologinėmis sąlygomis

    Populiacinės struktūrizacijos laipsnis pagal skirtingus palikuonių požymius nėra vienodas Didžiausia populiacinio veiksnio įtaka buvo gauta augimo ritmo požymiams (pvz. juodalksnio pumpurų sprogimo fenologijai – 1,6-15,6%), augimo spartai (juodalksnio medelių aukščiui – 3,6-6,1%) bei išsilaikymui (beržo – 2,4%), kas rodo, kad pagal šiuos požymius populiacinė diferenciacija yra labiausiai išreikšta ir todėl šie požymiai turėtų būti vieni svarbiausių, išskiriant populiacijas ir atrenkant jas genetinių išteklių išsaugojimui. Sparčiausiu augimu pasižymėjo Radviliškio ir Jonavos, o Kauno želdiniuose - Kuršėnų, Kaišiadorių bei Marijampolės, Šiaulių želdiniuose – Kačerginės ir Plungės juodalksnio populiacijų palikuonys. Geriausiu išsilaikymu ir palikuonių būkle visur išsiskyrė Radviliškio, Kauno želdiniuose - Panevėžio, Šakių ir Kuršių Nerijos, o Šiaulių želdiniuose – Tauragės, Plungės ir Šilėnų populiacijos. Tirtų beržo populiacijų tarpe sparčiausiu augimu visuose eksperimentiniuose želdiniuose pasižymėjo Kazlų Rūdos, Trakų, Pakruojo ir Žemaitijos NP populiacijų palikuonys. Pagal tirtus palikuonių požymius nebuvo rasta patikimų Kalninės guobos tarppopuliacinių skirtumų.

    Populiacijos skiriasi ne tik pagal požymių išraišką, bet ir požymių adityvinę genetinę variaciją populiacijų viduje, todėl jų genetinės adaptacijos bei praktinės selekcijos jose galimybės yra nevienodos – jos didžiausios didžiausia genetine variacija pasižyminčiose populiacijose. Didžiausia adaptacinio požymio - pumpurų sprogimo fenologijos adityvine genetine variacija (CVA) ir kartu – genetinės adaptacijos galimybėmis, pasižymi Marijampolės, Jonavos, Kuršėnų bei Panevėžio juodalksnio populiacijos Kauno želdiniuose, o Šiaulių želdiniuose - Radviliškio, Šiaulių ir Pajiesio populiacijos. Didžiausia medelių aukščio genetine variacija abiejuose želdiniuose pasižymėjo Plungės, Kuršėnų, Marijampolės, Šakių bei Prienų juodalksnio populiacijos, kuriose CVA siekė 20,0 – 56,2%. Didžiausia karpotojo beržo palikuonių medelių aukščio genetinė variacija buvo būdinga Radviliškio, Šakių ir Utenos populiacijos (CVA siekė iki 31,5 – 45,3%). Didžiausia visų požymių genetine variacija kalninės guobos populiacijų tarpe pasižymėjo Kaišiadorių populiacija (CVA siekė 23,5 – 33,5%).

    Patikimas ir gana stipriai išreikštas genotipo (populiacijų arba šeimų lygmenyje) ir aplinkos (blokų ir eksperimentinių želdinių lygmenyje) sąveikos variacijos komponentas indikuoja, kad esama genetinės variacijos pagal ekologinę elgseną – populiacijos bei šeimos skiriasi reakcijos į skirtingas aplinkos sąlygas stiprumu ir pobūdžiu, ir kad esama specifinės adaptacijos tam tikroms aplinkos sąlygoms. Skirtingoms populiacijoms būdinga nevienodos ekologinės elgsenos šeimyninė sudėtis: populiacijos skyrėsi pagal šeimų proporcijas, turinčių vienokį ar kitokį adaptacijos tipą, atsako stiprumą ir ekogenetinį stabilumą. Apie 32% karpotojo beržo šeimų turėjo reikšmingus ekovalentingumo koeficientus pagal aukštį, 21% - stiebo skersmenį, 9% - lapų skleidimąsi, 42% - lapų geltimą. Šeimų adaptacinės elgsenos skirtingumas įtakojo ir genetinės variacijos kitimą populiacijose priklausomai nuo išbandymo gamtinių sąlygų: pvz. Utenos populiacijoje medelių aukščio CVA atskiruose želdiniuose buvo nuo 9,7 iki 36%, Radviliškio populiacijoje – nuo 12,0 iki 45,3% ir t.t.

    Atlikus daugiamatę juodalksnio populiacijų palikuonių adaptacinių požymių faktorinę ir klasterinę analizes išryškėjo 4-ios populiacijų grupės. Labiausiai išsiskiriančiomis buvo vakarinės Lietuvos Kuršių Nerijos ir Plungės populiacijų šaka ir Jonavos ir Kačerginės populiacijų šaka. Į trečiąją susigrupavo gana geografiškai tolimos populiacijos iš Vidurio lygumos, o į ketvirtąją grupę -centrinės ir pietvakarinės Lietuvos populiacijos (5 Pav.).

     

    5 pav. Juodalksnio populiacijų panašumo pagal palikuonių adaptacinius, augimo ir kokybės požymius apjungiančius faktorius dendrograma. The dendrogram of Lithuanian black alder populations based on 3 factors integrating adaptive, growth, and quality traits of progenies.

    Tuopų hibridų, testuotų 4-se kloniniuose želdiniuose, tarpe didžiausiu produktyvumu pasižymėjo Populus trichocarpa x P.deltoides ir P.deltoides x P.nigra hibridai (jų aukštis skirtinguose bandymuose 10 metų amžiuje svyravo nuo 11,5 iki 17,8 m, stiebo tūris – nuo 0,13 iki 0,34m3), o didžiausiu medienos tankiu - P.deltoides ir P.trichocarpa x P.deltoides (335-384 kg/m3).

    Tyrimų rezultatai pateikiami 4-se 2007-tais metais publikuotuose bei priimtuose spaudai leidiniuose su ISI citavimo indeksu, įtrauktuose į WOS duomenų bazes, bei 4-se straipsniuose leidiniuose, įtrauktuose į kitas tarptautines duomenų bazes.

    El.paštas:genetsk@mi.lt

    Atgal