Генетические методы в мониторинге сибирских лесов

Е.А. Шилкина, фото: архив отдела, Анастасия Кузьмина, Валерий Бодряшкин

137

Одним из современных направлений, внедряемых в практику лесного хозяйства, являются молекулярно-генетические методы анализа, которые уже нашли широкое применение в медицине, биотехнологии, сельском хозяйстве, криминалистике и др. сферах. ДНК-анализ открывает новые и широкие перспективы по целому ряду направлений лесохозяйственной деятельности. В совокупности успешное внедрение генетических технологий в практику лесного хозяйства позволяет повысить эффективность государственного лесного контроля, качество лесовосстановления и одновременно снизить потери лесных ресурсов от вредителей и болезней, нелегального оборота древесины.

Генетические методы уже сейчас могут позволить извлечь как экономическую, так и экологическую выгоды. Среди экономических преимуществ их использования можно отметить следующие:

  • создание новых лесосеменных объектов под генетическим контролем;
  • контроль за соблюдением правил лесосеменного районирования;
  • определение географического происхождения семян, сеянцев и саженцев;
  • определение генетического происхождения партий семян, сеянцев, саженцев (естественное насаждение или плантация);
  • анализ фитосанитарного состояния питомников в сжатые сроки;
  • определение наличия фитопатогенов в вырубленных массивах, объявленных очагом поражения (контроль за правильностью отвода «пораженных» массивов под вырубку);
  • определение наличия грибных и бактериальных инфекций в почвах и посадочном материале и рекомендации по мерам борьбы с выявленными патогенами;
  • идентификация географического происхождения заготовленной древесины.

Среди других возможностей молекулярно-генетических методов в лесном хозяйстве можно отметить такие направления экологической направленности, как:

  • проведение мониторинга генетической структуры и разнообразия популяций основных лесообразующих пород;
  • таксономическое определение растений, уточнение филогенетических схем;
  • определение истинных границ распространения инфекции при обнаружении очага поражения;
  • определение факторов, снижающих генетический потенциал популяций.

Таким образом, молекулярно-генетические методы могут стать одним из инструментов обеспечения качественного мониторинга лесов России, их надежной охраны и устойчивого использования.

В настоящее время в структуре ФБУ «Российский центр защиты леса» действуют 7 полноценных отделов (далее также – лабораторий) мониторинга состояния лесных генетических ресурсов (г. Пушкино Московской области, г. Красноярск, г. Воронеж, г. Барнаул, г. Санкт-Петербург и г. Хабаровск), оснащенных современным оборудованием для проведения генетического анализа, укомплектованных штатом сотрудников и обеспеченных расходными материалами для выполнения поставленных задач.

На сегодняшний день генетические лаборатории выполняют работы в следующих направлениях:

  1. Мониторинг генетической структуры насаждений основных лесообразующих пород РФ.
  2. Генетическая паспортизация (сертификация) объектов лесного семеноводства (ЕГСК).
  3. Диагностика возбудителей болезней и вредителей растений основных лесообразующих пород в лесных питомниках и насаждениях (фитопатологический и энтомологический мониторинг).
  4. Генетическая экспертиза происхождения заготавливаемой древесины для отслеживания ее легальности и противодействия незаконным рубкам.
  5. Популяризация генетических методов, сотрудничество с академической наукой, системой среднего и высшего образования для расширения возможностей и перспектив развития инновационных технологий в лесном хозяйстве, формирования кадрового резерва.
Полевые работы по отбору образцов для генетического анализа

Определение генетической структуры насаждений основных лесообразующих пород является ключевой и самой масштабной задачей генетиков. Для ее реализации производится сбор вегетативных образцов со всей территории России, с участием специалистов филиалов Российского центра защиты леса. В зону ответственности Красноярского филиала, помимо собственной, входят территории Республик Хакасии, Тывы, частично Бурятии, Томской, Иркутской и Кемеровской областей.

Отобранные образцы первоначально проходят стадию пробоподготовки, далее из них выделяется ДНК и ее анализ осуществляется по целому ряду генетических параметров, совокупность которых позволяет отличать растительные образцы одного места произрастания от другого. Изучение ДНК проводится с помощью специально подобранных информативных участков ДНК (маркеров), помогающих получить важную информацию как об отдельном дереве, так и о насаждении в целом. Полученные данные вносятся в общероссийскую базу данных. Таким образом, в базе содержатся сведения об индивидуальных особенностях лесообразующих пород каждого географического региона, и могут быть востребованы для решения задач мониторинга состояния лесных генетических ресурсов, оценки биологического разнообразия насаждений, осуществления контроля за оборотом репродуктивного материала при воспроизводстве лесов и соблюдении правил лесосеменного районирования, сертификации семян и посадочного материала лесных растений, а также оборота круглых лесоматериалов.

Генетическая паспортизация лесосеменных объектов является важным направлением лесовосстановления и сохранения генофонда ценных пород деревьев.

Алексей Ибе, к.с-х.н., инженер отдела мониторинга состояния лесных генетических ресурсов филиала ФБУ «Рослесозащита» – «ЦЗЛ Красноярского края»

Необходимость проведения такой работы, с целью контроля происхождения партий семян, принадлежности их определенному месту заготовки, недопущения смешивания семян разного качества, существовала давно. В процессе этой работы анализируются плюсовые деревья и их вегетативное потомство, представленное в архивах клонов и на лесосеменных плантациях, проверяются схемы фактического размещения клонов и даются рекомендации по их возможной реорганизации. Совокупная информация об изученных участках ДНК плюсовых деревьев и их клонов по сути является своеобразным «паспортом» дерева, удостоверяющим его «личность». Важно выявить возможные несоответствия клонов предполагаемым плюсовым деревьям, так как указанные объекты в дальнейшем планируются к использованию для заготовки семян улучшенного качества. Такая работа позволяет проводить идентификацию и сертификацию улучшенных семян, заготавливаемых на объектах лесного семеноводства и используемых для лесовосстановления.

Данный аспект имеет стратегическое значение, поскольку доля улучшенных и сортовых семян лесных растений, используемых при воспроизводстве лесов, определяет эффективность лесного семеноводства в будущем: с учетом продолжительности роста древесных растений, наследственные качества семян во многом определяют качество создаваемых насаждений через 50–100 лет. Любое искусственное лесовосстановление является весьма протяженным по времени, требует значительных капиталовложений, сопряжено с рядом трудностей, поэтому важно знать, какие семена используются для этих целей. Отсутствие контроля за географическим и генетическим происхождением семенного и посадочного материала влечет за собой использование в лесовозобновлении материала неизвестного или сомнительного происхождения со всеми вытекающими экономическими и экологическими последствиями.

Другим серьезным направлением деятельности отдела мониторинга состояния лесных генетических ресурсов является фито- и энтомопатологический мониторинг. Например, генетики Центра защиты леса могут определять расу непарного шелкопряда, которая не всегда успешно идентифицируется традиционными морфофизиологическими методами. Это позволяет получить информацию, важную для карантинных служб. Точное определение любого вредителя возможно на любой из стадий его развития – от яйца до зрелой особи.

Марина Шеллер, инженер отдела мониторинга состояния лесных генетических ресурсов филиала ФБУ «Рослесозащита» – «ЦЗЛ Красноярского края».

Особенно актуальна идентификация фитопатогенов, вызывающих заболевания сеянцев в лесных питомниках или взрослых древостоях в тех случаях, когда болезнетворный организм трудно или невозможно определить традиционными методами анализа в силу сходной симптоматики разных болезней, недостаточно выраженной этиологии, анализом заболеваний на ранней или, наоборот, очень поздней стадии, наличии трудностей с выделением и культивированием организмов, переносом их в чистую культуру, получением стадий спороношения и т. п. В такой ситуации молекулярно-генетическая диагностика зачастую является и менее затратной по времени и средствам. ДНК-технологии позволяют проводить прямой анализ инфицированных тканей растений, без выделения фитопатогенов в чистую культуру, осуществлять раннюю диагностику болезней и насекомых с высокой точностью и в сжатые сроки, когда нанесенный ими ущерб еще минимален, а поведение профилактических мероприятий максимально эффективно. Кроме того, с помощью анализа ДНК патогенов можно оценивать их наличие в почве при подготовке посадочных площадей, оценивать истинные границы очага инфекции и определять источники инфицирования, которыми могут быть вода, почва растительные остатки и т. п.

В период с 2014 по 2016 годы получены результаты ДНК-диагностики фитопатогенов по результатам обследований 26 лесных питомников Красноярского края и Республики Хакасия общей площадью 439,46 га, в процессе которых изучалась микрофлора сеянцев сосны обыкновенной, ели сибирской и сосны кедровой сибирской 1–6-летнего возраста. Молекулярно-генетический анализ позволил обнаружить 12 родов патогенных и условно-патогенных микроскопических грибов, вызывающих различные болезни хвойных растений. Некоторые из выявленных заболеваний ранее не диагностировались, либо отмечались крайне редко. К их числу относятся, например, фомоз, тифулез и склерофомоз. Таким образом, внедрение методов ДНК-анализа расширяет возможности для исследования видового разнообразия грибов и меняет наши представления о видах, доминирующих в патологическом процессе. По данным молекулярно-генетической диагностики, основными болезнями 1–2 года жизни сеянцев в питомниках Красноярского края и Хакасии являются фомоз, альтернариоз, кладоспориоз и ризоктониоз, 3–6 годов – фомоз, настоящее и обыкновенное шютте, склерофомоз, фацидиоз и снежная плесень. Остальные болезни встречаются реже, не на всех питомниках и скорее относятся к категории случайных, появление которых чаще всего связано с нарушением агротехники выращивания посадочного материала, если не существует особых микроклиматических и почвенных особенностей в зоне расположения питомника. Полученные данные указывают на доминирующую роль указанных заболеваний в патогенезе сеянцев в питомниках Красноярского края и Хакасии и требуют пристального внимания со стороны практиков лесного питомнического хозяйства, а также представляют интерес для науки в разрезе изучения патогенных свойств грибов-возбудителей болезней и разработки эффективных препаратов для борьбы с обнаруженными заболеваниями.

За последние несколько лет также получены хорошие результаты по ДНК-диагностике корневой губки и ризины волнистой.

Гриб корневая губка является одним из самых опасных и трудно диагностируемых возбудителей заболеваний хвойных пород. Реальное распространение очагов этой болезни и размеры причиняемого экономического ущерба предположительно значительно превышают имеющиеся статистические данные, в силу скрытного характера протекания указанного заболевания. В естест­венных условиях обильное образование плодовых тел корневой губки встречается редко, что также осложняет диагностику заболевания.

Елена Шилкина

Молекулярно-генетический анализ с применением видоспецифичных маркеров позволяет быстро идентифицировать генетический материал возбудителя в корнях или почве вне зависимости от наличия плодовых тел. Это дает возможность определить очаги корневой губки и границы (в том числе скрытые) ее распространения в изучаемом ареале. Таким образом, метод позволяет обнаружить наличие корневой губки в древесине визуально здоровых деревьев, правильно оценить их санитарное состояние, объективно определить размеры очага и принять своевременные меры по оздоровлению насаждений и недопущению распространения инфекции, а также по сохранению товарных качеств древесины.

Ризина волнистая вызывает гибель саженцев в течение первых лет после посадки, если лесовосстановление было проведено на свежих гарях. Прогревание почвы под воздействием огня стимулирует развитие этого гриба, поэтому после лесных пожаров, в местах костров, сжигания древесных остатков ризина развивается в больших количествах, особенно в местах с хорошим освещением и на песчаной почве. Гибель посадочного материала при восстановлении леса в первый-второй год после пожаров – широко известное явление, однако роль в данном процессе ризины волнистой ранее не была достаточно исследована и оценена. ДНК-диагностика достоверно показывает наличие генетического материала ризины волнистой в 50–95% случаев гибели саженцев на площадях посадок после свежих пожаров и позволяет сделать вывод о нецелесообразности такого лесовосстановления.

Еще одно важное направление использования генетических технологий связано с проблемой незаконных рубок. В настоящий момент нами уже отработаны методики выделения ДНК из разных органов и тканей хвойных, накоплен опыт по анализу ДНК различными методами, в т. ч. с использованием микросателлитных маркеров, которые представляются наиболее перспективными и надежными для идентификации, поскольку они воспроизводимы, устойчивы, высокоспецифичны и достаточно точно отражают географическое происхождение.

Преимущества генетических методов в проведении идентификации древесины состоят в их высокой точности и скорости исполнения, недостаток – в сложности определения пространственной генетической структуры популяции и трудностях извлечения ДНК из древесных образцов. Выделять ДНК из древесины сложнее, чем, например, из хвои или листьев. Этот процесс более трудоемок физически, по причине механической твердости этой ткани, а также есть проблемы с наличием ингибиторов ДНК среди химических составляющих древесины и биологических «загрязнителей» в виде чужеродной ДНК микроорганизмов, грибов и др., способствующих деградации ДНК дерева. Современная наука и практика стремятся найти надежный способ выделения ДНК из древесины любого качества, но далеко не всегда пока это удается. Выделить нуклеиновые кислоты из древесины после ее серьезной термо- или химической обработки в разы сложнее, а иногда и совсем невозможно. Поэтому актуальной проблемой, требующей определенных материальных и трудозатрат, является создание генетической базы данных, определение границ популяций и совершенствование методики выделения ДНК из древесины.

Тем не менее опыт успешной экспертизы образцов древесины в рамках сбора доказательств по факту незаконной рубки лесных насаждений у отдела генетики уже есть, и перспективы использования методов ДНК-анализа в данном направлении все более очевидны. Такая работа впервые была проведена на примере Томской области, и в случае успешного использования полученных результатов в раскрытии преступления, опыт данного региона будет распространен на другие субъекты, сталкивающиеся с проблемой незаконных рубок.

Кроме того, ДНК-экспертиза может быть полезна в определении наличия и видового состава возбудителей заболеваний в образцах древесины, полученных с мест проведения санитарно-оздоровительных мероприятий. Это косвенно может помочь в определении правильности причины их назначения, если в качестве таковой были указаны болезни леса. Для анализа подойдут древесина пней, корни растения, порубочные остатки, в том числе с хвоей, из которых можно выделить и проанализировать ДНК фитопатогенов, определить ее видовую принадлежность и сравнить с тем, что указано в данных лесопатологического обследования, проведенного для назначения рубки. Например, анализ может показать, было ли повреждение дерева корневой губкой, опенком осенним и т. п., или эта причина указана необоснованно.

Знакомство студентов с деятельностью отдела лесной генетики

Практика производственных генетических анализов в лесной отрасли уже приобретает массовый характер, осваиваются все новые направления актуальных исследований. В связи с этим не ослабевает потребность в обучении и профессиональных стажировках сотрудников с целью освоения и внедрения новых методов. Это также обуславливает необходимость усовершенствования и обновления используемой техники, закупки новых реактивов и расходных материалов. Специалисты-генетики постоянно повышают свой профессиональный уровень, изучают специализированную литературу, пишут научные и популярные статьи (в арсенале отдела – более 30 статей и тезисов), принимают участие в научных и практических семинарах, школах, конференциях с целью обмена опытом и развития партнерских отношений с профильными специалистами научных институтов, вузов, в том числе с иностранными коллегами, работающими в направлении лесной генетики.

Так, в 2016 году на базе Красноярского ЦЗЛ сотрудниками отдела совместно с ФБУ «Рослесозащита» был организован международный научно-практический семинар, посвященный молекулярно-генетическим методам применительно к лесному хозяйству. В нем приняли участие ведущие ученые, представители академической и образовательной сфер, совместно с сотрудниками всех семи генетических лабораторий Российского центра защиты леса. Семинар стал хорошей площадкой для обмена опытом и налаживания профессиональных контактов. Были обсуждены планы и перспективы дальнейших исследований, возможность реализации совместных проектов.

Также с целью осуществления совместных научных и практических форм взаимовыгодного сотрудничества и узкопрофильной подготовки специалистов лесной отрасли, совместно с отделом генетики в 2011 году была создана базовая кафедра Института фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета (СФУ) «Защита и современные технологии мониторинга лесов», на которой в настоящий момент реализуется магистерская программа «Геномика и биоинформатика». Кроме того, научно-образовательный Центр геномных исследований СФУ проводит работы по расшифровке геномов лиственницы, кедра и некоторых опасных фитопатогенных грибов, и практики лесного хозяйства надеются, что результаты этих исследований будут полезны лабораториям ФБУ «Рослесозащита» в обеспечении качественного мониторинга лесов Сибири. Уже сегодня сотрудниками проекта по исследованию генома хвойных разработаны информативные маркеры для изучения сосны кедровой сибирской, успешно используемые нами в производственной деятельности.

Отдел мониторинга состояния лесных генетических ресурсов активно вовлечен в популяризационно-просветительскую деятельность: лаборатории регулярно служат площадкой для проведения экскурсий, практических занятий, публичных лекций, открытых мероприятий. Деятельность отдела освещается в новостной информации сайта организации. Специалисты отдела осуществляют консультационную и экспертную деятельность на безвозмездной и возмездной основах.

Роль генетических технологий в практике лесного хозяйства на сегодняшний день является очевидной. Потенциал, накопленный наукой в данном направлении, несомненно, должен эффективно использоваться. Мы видим перспективы современных инновационных технологий и надеемся, что они послужат на благо российских лесов и станут весомым вкладом в положительные изменения в лесном секторе экономики страны.

Журнал «ЛПК Сибири» №4 / 2017

Автономные отопители Eberspächer - комфортная работа в любой мороз!