К экспериментальному подтверждению гипотезы об эколого-генетической природе феномена "взаимодействие генотип-среда" у древесных растений

В 1984 году группой исполнителей кооперированной программы «ДИАС» (Генетика признаков продуктивности яровых пшениц в Западной Сибири) был открыт новый эпигенетический феномен — смена наборов продуктов генов, детерминирующих один и тот же количественный признак. Установлено, что продуктивность и урожай определяются меняющимися наборами и числом продуктов генов при смене лимитирующих факторов среды (1).

Понятие «взаимодействие генотип—среда» (ВГС) в узком смысле появилось с началом экологических испытаний предсортов и сортов. Было отмечено явление смены рангов продуктивности в наборе сортов, который испытывали в разные годы в одной географической точке или в один год, но в разных точках. Феномен ВГС обнаруживается при наличии не менее двух генотипов и выражается в смене их рангов по признакам продуктивности минимум в двух средах (3, 4). Если в одной эконише ранги четырех сортов по продуктивности — 1, 2, 3, 4, а в другой — 1, 2, 3, 4, то ВГС рав-

Публикуется при поддержке гранта РФФИ ¹ 16-04-00199.

но нулю. Если в одной среде ранги — 1, 2, 3, 4, в другой — 4, 1, 3, 2, то ВГС присутствует. При изучении одного генотипа в разных средах (комфортных и дискомфортных) феномен ВГС наблюдать нельзя, поскольку проявятся лишь ненаследственные изменения признаков — модификации (5). Еще Е.Н. Синская (6), а позднее С.Г. Инге-Вечтомов (7) подчеркивали, что существенной проблемой в генетике и селекции остается дефицит знаний о природе модификаций. Механизмы модификаций в настоящее время интенсивно изучаются (8-12), но полного понимания их природы пока нет. ВГС — это более сложный феномен, чем модификация, и, возможно, именно поэтому ни одной гипотезы о природе ВГС не существовало до конца ХХ века ни в классической генетике (менделизме), ни в биометрической и молекулярной ветвях современной генетики.

В начале ХХ века K. Пирсон (13) дал строгое формализованное определение феномену ВГС и предложил ранговый коэффициент корреляции для его измерения. Позднее R.A. Fisher (14) создал двухфакторный дисперсионный анализ для более строгой количественной оценки эффектов ВГС. В настоящее время существуют различные статистические методы для количественного определения эффектов ВГС (15-20). Однако их оценка в разных средах без понимания природы (механизмов) этого явления не дает возможности построить систему прогнозов величин и сдвигов эффектов ВГС, что не позволяет прогнозировать ранги продуктивности и урожаи конкретного сорта в разных географических точках.

Гипотеза о природе ВГС, вышедшая из теории эколого-генетической организации количественных признаков (ТЭГОКП) (21), сформулирована так: « Механизм эффектов ВГС — это смена набора продуктов генов, имеющихся в клетках сортов и детерминирующих признак продуктивности при смене лим-фактора среды». Гипотеза была проверена на признаке «интенсивность транспирации» (ИТ) в двух группах сортов яровой пшеницы: I группа — с крупными, часто расположенными устьицами на листьях и толстой плотной кутикулой, II группа — с мелкими, редко расположенными устьицами и тонкой рыхлой кутикулой. Утренняя ИТ была интенсивнее у сортов I группы, дневная (кутикулярная) — во II группе. Утром различия по ИТ между группами сортов детерминировались генетическими системами, контролирующими размер и частоту размещения устьиц на листе, в полдень — генами синтеза восков, определяющими толщину и плотность кутикулы. При этом происходила смена рангов групп сортов по ИТ, то есть возникал эффект ВГС, механизм которого очевиден: смена наборов продуктов генов, детерминирующих признак ИТ (22).

При решении задач наследственной передачи следует выбирать объекты с коротким периодом онтогенеза (дрозофила, арабидопсис, кишечная палочка). Для расшифровки механизмов феномена ВГС (задачи «наследственного осуществления»), ввиду полного незнания путей от ВГС к конкретному гену (23), нами был выбран идеальный, на наш взгляд, объект (многолетние плодовые) и идеальный признак (толщина годичного прироста древесины в нужный год).

Ряд преимуществ для исследования механизмов ВГС имеют многолетние плодовые. Они размножаются прививкой (окулировка, копулировка), то есть каждый сорт — это клон, внутри которого генетическое разнообразие по детерминации признаков практически равно нулю. Сады многолетних плодовых закладываются одновременно саженцами одного возраста, то есть все деревья одинаковы по возрасту. Деревья высаживаются на равных расстояниях друг от друга, у них одинаковые площади питания (отсутствуют шумы генетической и экологической конкуренции). Для повышения урожаев в саду высаживают несколько сортов, чтобы перео-152

пыление происходило за счет пыльцы разных генотипов, это исключает депрессию урожаев от самоопыления. В мире создано много сортов плодовых (от северных до самых южных), поэтому всегда можно найти разные по адаптивности сорта в одном или в соседних садах. Признак «площадь годичного кольца» в нужный год (на спилах ствола или ветвей) позволяет судить об усредненном качестве условий роста в каждый год на протяжении многих лет. Этот признак фиксирует информацию об интегральных условиях года, которая таким образом сохраняется в течение всей жизни дерева.

В настоящей работе впервые экспериментально проверена гипотеза об эколого-генетической природе феномена ВГС на идеальном объекте — сортах многолетних плодовых культур.

Целью исследований была расшифровка эпигенетической природы взаимодействия генотип—среда (ВСГ) посредством экспериментального подтверждения гипотезы о природе ВГС.

Методика. Исследования проводили в ООО «ОПХ им. К.А. Тимирязева» (Краснодарский край, г. Усть-Лабинск), ЗАО «ОПХ Центральное» ФГБНУ Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия и ООО «Плодовод» (г. Краснодар). Изучали сорта с разной степенью адаптивности, зависящей от их происхождения: сорта яблони ( Malus domestica Вorkh.) Бахорн из Узбекистана и Краса Севера из Екатеринбурга (ЗАО «ОПХ Центральное»), сорт абрикоса ( Prunus armeni-aca L.) New Jersey (Нью Джерси) из США и местный сорт Краснощекий (ООО «ОПХ им. К.А. Тимирязева», ООО «Плодовод»).

Анализировали смену рангов толщины годичного прироста древесины в трех повторностях с трех деревьев по методике Г.Н. Теренько (20). Толщину измеряли на кернах, взятых с помощью бура из скелетных ветвей, или на спилах ветвей. В базе метеоданных выбирали годы с различным сочетанием температурного и влажностного режима (влажные и холодные; сухие и жаркие), то есть те, в которые ожидалась смена рангов толщины годичного прироста и проявление феномена ВГС. Оценивали среднюю ширину годичного кольца за нужный год и его площадь.

При статистической обработке данных рассчитывали средние значения ширины или площади годичных колец ( M ) и ошибки средних (±SEM).

Результаты. Гипотеза постулирует, что природа ВГС — это смена наборов продуктов генов, детерминирующих один и тот же признак, при изменении лимитирующего фактора внешней среды (21, 22, 25). В сухой жаркий год толщина годичного прироста древесины должна быть больше у южного засухоустойчивого сорта, поскольку он несет лучшие генетикофизиологические системы засухо- и жаростойкости, сформированные посредством естественного и искусственного отборов за годы выведения сорта в сухой жаркой зоне. Во влажный и холодный год толщина годичного прироста должна быть больше у сорта, созданного в умеренной или северной зоне и имеющего лучшие системы холодостойкости.

Полученные данные подтвердили правомерность сформулированной гипотезы (табл. 1, 2). Во влажный и холодный год годичный прирост ветвей в толщину был больше у северного сорта яблони Краса Севера, в сухой и жаркий год — у южного сорта Бахорн.

Поскольку такие компонентные признаки, вносящие вклад в повышение засухоустойчивости, как опушение листьев и толщина кутикулы, в принципе не могут участвовать в повышении холодостойкости, значит, смена рангов по толщине годичного прироста древесины указывает на смену набора компонентных признаков адаптивности и наборов продуктов ге- нов, детерминирующих эти признаки, при изменении лим-фактора среды.

1. Толщина годичного прироста ветвей 1-го порядка у двух сортов яблони ( M ±SEM, сад посадки 2007 года, подвой М 9, ЗАО «ОПХ Центральное», г. Краснодар)

Сорт	Происхождение	Средняя толщина годичного кольца, мм	Площадь годичного кольца, мм2
		2011 год (ВХ) 2012 год (СЖ)	2011 год (ВХ) 2012 год (СЖ)

Бахорн ( n = 9)           Узбекистан       0,78±0,19      0,95±0,18^а      1,91±0,09      2,83±0,07

Краса Севера ( n = 9)     Свердловск       1,50±0,46      0,75±0,12^а      7,07±0,22       1,77±0,11

П р и м еч а ни е. ВХ — влажный и холодный год, СЖ — сухой и жаркий год. Достоверно при уровне значимости 5 %. Между вариантами, помеченными буквой (а), отсутствуют статистически значимые различия при р = 0,05.

2. Толщина годичного прироста ветвей 1-го порядка у двух сортов абрикоса ( M ± m , сады посадки 2006 года; подвой — сеянцы культурных сортов, жердели)

Сорт Площадь годичного кольца, мм2 2007 год 2010 год 2014 год ООО New Jersey (Нью Джерси) (n = 9) Краснощекий (n = 9) ООО «ОПХ им New Jersey (Нью Джерси) (n = 9) Краснощекий (n = 9) П р и м еч а ни е. ОСЖ — очень сухой «Плодо в од» (г. Краснодар) 27,45±0,77             196,37±0,98            341,12±7,00 23,12±0,84             119,94±0,88            428,50±1,42 . К.А. Т и м и ря з е в а» (г. Усть-Лабинск) 29,00±2,53             185,00±3,81            697,34±4,72 13,52±0,13             73,30±0,34            498,40±1,12 и жаркий год, МСЖ — менее сухой и жаркий год, ОЗ — обледе- нение зимой (в ООО «ОПХ им. К.А. Тимирязева» в 2014 году обледенения не было).

Лето 2007 года в Краснодаре и Усть-Лабинске было очень жарким и сухим, лето 2010 года также характеризовалось высокими температурами воздуха на фоне длительной умеренной засухи. При этом условия в Усть-Лабинске были существенно жестче по влагообеспеченности и повышенному температурному режиму в летний период вегетации.

Площади годичных колец у обоих исследованных сортов абрикоса оказалась существенно больше в 2010 году, что говорит о более комфортных условиях роста (см. табл. 2). Значительные различия в величине площади годичного кольца у ветвей 1-го порядка деревьев сорта Краснощекий в 2007 и 2010 годах обусловлены его сортовой отзывчивостью (адаптивностью), которая в данном случае обеспечила более интенсивный рост молодых деревьев абрикоса.

В 2014 году с 22 по 24 января в Краснодаре наблюдалось аномальное погодное явление — ледяной дождь (выпадение осадков в виде дождя при температуре воздуха 0 или - 1... - 2 ° С). Это привело к постепенному обледенению деревьев, которые находились в таком состоянии в течение 2 сут. Обледенение вызвало значительные повреждения вегетативных органов и генеративных почек у всех плодовых культур (особенно абрикоса) и, как следствие, угнетение роста. В Усть-Лабинском районе такого явления не было. В Усть-Лабинске сорт New Jersey (Нью Джерси) по толщине годичного прироста превосходил сорт Краснощекий по всем трем годам, а лим-фактор «ледяной дождь» в Краснодаре привел к смене рангов сортов, то есть к четкому проявлению феномена ВГС (см. табл. 2).

Таким образом, посредством выбора из банка метеоданных контрастных по лим-факторам лет и подбора разных по происхождению и адаптивности сортов удалось обнаружить факты, которые были предсказаны гипотезой о природе взаимодействия генотип—среда (ВГС). Экспериментально подтвержденная гипотеза о природе (механизмах) феномена ВГС позволяет прогнозировать явления ВГС в новой среде, если для нее известны типичные динамики лим-факторов. Зная географические точки 154

происхождения взятых для опыта сортов и главные лим-факторы в этих точках и сопоставляя их с типичными динамиками лим-факторов в новой среде, куда мы хотим интродуцировать наши сорта, можно делать прогнозы рангов сортов по урожаям до проведения экспериментальной интродукции. Это открывает перспективы нового подхода к подбору сортов, интродуцируемых в другие зоны, и позволяет оценивать конкретные генетические недостатки каждого сорта для их последующей элиминации методами селекции для полного соответствия каждого нового сорта типичным лим-факторам зоны выращивания.