ВВЕДЕНИЕ В ЛЕСНУЮ БИОТЕХНОЛОГИЮ Шестибратов Константин Александрович Потребность

ВВЕДЕНИЕ В ЛЕСНУЮ БИОТЕХНОЛОГИЮ Шестибратов Константин Александрович

Потребность в древесине к 2020 году увеличится на 20 %

Ежегодно площадь лесов сокращается на 9.4 млн га

Должен установиться баланс лесопосадка лесозаготовка

? Что необходимо ?

Уровень развития сельского хозяйства 10 000 лет назад Доместикация Селекционная революция Биотех революция Сегодня! 1995 год

Уровень развития лесного хозяйства 10 000 лет назад Доместикация Селекционная революция Биотех революция Сегодня! 1995 год

Ключевые критерии плюсовой селекции лесных пород Естественное опадание сучьев Слабое ветвление Симметричная крона Сильный апикальный рост Осевой ствол до апикальной части кроны Минимальная кривизна ствола МАКСИМАЛЬНЫЙ ЗАПАС ДРЕВЕСИНЫ

Традиционные методы селекции Культура клеток, тканей и органов in vitro Генная инженерия Молекулярное маркирование

Не генно-инженерные Плюсовая селекция (ПС) ПС + молекулярное маркирование (ММ) ПС + микроклонирование (МК) ПС + ММ+ МК Соматическая полиплоидизация (СП) СП + МК Генно-инженерные ПС + Генетическая трансформация (ГТ) ГТ + МК ПС + ММ + ГТ + МК

Природная популяция Плюсовые формы Генетический анализ Улучшенные формы Фенотип Генотип Молекулярные маркеры Молекулярное маркирование

Спектр решаемых задач Паспортизация селекционных достижений Сертификация семенного фонда Молекулярное маркирование Интенсификация селекционной работы

Преимущества: Исключается риск высадки нерайонированного посадочного материала Возможность унификации данных сертификации для создания информационной базы данных объектов ЕГСК Отбор элитных форм проводится по генотипу, что обеспечивает наследуемость признаков Высокая производительность Возможность проведения направленного скрещивания Защищенность селекционных достижений от нелицензированного использования Возможность проведения независимой экспертизы генетической ценности селекционных достижений

Культура in vitro клеток, тканей и органов растений

Отбор плюсовых форм и получение асептических культур in vitro Поиск ценных форм Получение асептических культур Отбор эксплантов

Омоложение и микроразмножение асептической культуры in vitro Основные проблемы этой стадии: Витрификация Некроз Низкий коэффициент мультипликации Низкая частота укоренения

Оптимизация условий культивирования Мультипликация и элонгация Укоренение

Клональное микроразмножение маточных растений

Спектр решаемых задач: Депонирование In vitro Массовое размножение элитных генотипов Культура растений In vitro Оздоровление посадочного материала Сохранение лесных генетических ресурсов Создание новых продуктивных форм

Сравнение способов размножения: Сохранение гибридных свойств Высокая производительность Низкая себестоимость Оздоровление Способ размножения

Физические Химические Биологические Микроинъекция Давление Бомбардамент Электропорация Кремниевые/ углеродные иглы Лазерный метод Ультразвуковой PEG DEAE-dextran Фосфат кальция Липиды Rhizogenes Вирусный In planta Методы генетической трансформации A. Tumefaciens

Агробактериальная трансформация

Этапы трансформации Клонирование целевого гена Конструирование векторной плазмиды Агробактериальный перенос Селекция трансгенных клеток и тканей и элиминация бактерий Регенерация растения Подтверждение трансгенного статуса

Разработка методики регенерации адвентивных побегов и селекции трансформантов Тип экспланта Состав питательной среды Тип и концентрация селективного агента Эффективность регенерации канамицин + канамицин -

Стадия агробактериального переноса

Регенерация трансгенных побегов Эффективность трансформации зависит от Частоты регенерации адвентивных побегов Гистологических особенностей регенерации Процедуры инокуляции и вирулентности штамма Частоты агробактериального переноса Эффективности процесса селекции Контроль + Контроль - Трансформанты

Подтверждение трансгенного статуса Выявление всевдо-трансформантов Укоренение на селективной средеё Оценка агробактериальной контаминации ПЦР анализ Анализ экспрессии гена ПЦР анализ 1 – вода, 8-23 – трансгенные линии березы, m – маркер (100bp), бб31 – нетрансгенный контроль Осина, GUS +

Основные направления генетического улучшения Количество биомассы Скорость роста Слабое ветвление Компактная корневая система Минимальная кривизна ствола Агрономические характеристики Устойчивость к вредителям и болезням Устойчивость к засухе Устойчивость к гербицидам Компактная корневая система Качество древесины Лигнины Целлюлоза Гемицеллюлоза Содержание влаги Длина древесного волокна Биобезопастность Блокирование цветения

Степень внедрения биотехнологий в лесном секторе по странам

Технологии культуры in vitro растений FAO, Preliminary review of biotechnology in forestry (2005): 82 рода лесных древесных растений. Половина всех работ приходится на пять родов: Pinus, Picea, Eucalyptus, Acacia, Quercus. Соматический эмбриогенез - 65%, стеблевая культура -13%.

Генетическая трансформация древесных пород FAO, Preliminary review of biotechnology in forestry (2005): 35 стран проводят генетическую трансформацию 29 родов лесных древесных растений Род Populus - почти половина всех ГМ работ

Модельное дерево лесной биотехнологии Тополь это арабидопсис лесной биотехнологии Виды рода тополь (Populus) — модельные виды для изучения генетики и культивирования древесных растений. Имеют небольшой размер генома и быстрый рост, разработана методика трансформации. Полностью секвенирован геном североамериканского вида Populus trichocarpa Размер генома Арабидопсис – 100-150 Мвр Сосна – 20 000 Populus/Salix – 450-550 Мвр

Трансгенный тополь с геном Bt-токсина (Китай) Создан в 2003 году. Первая коммерческая плантация общей площадью заложена в 2008 году. Заявили о планах заложить к 2012 17 млн.га. Результат коллаборации с Германией Семена не прорастают

Высокопродуктивный эвкалипт (Бразилия) Ротационный период 5-7 лет Прирост достигает 120 куб.м. /га/год

Эвкалипт устойчивый к заморозкам (США) Май 2010 года В 7 штатах США заложено суммарно 120 га трансгенного эвкалипта. Есть гибриды не ГМ устойчивые к заморозкам, однако они растут на 40-60 % медленнее! Они стерильные – не дают пыльцы!! Главная цель – получать из биомассы целлюлозный этанол.

Полиплоидная пауловния (США, Индия) Полиплоидизация увеличила скорость роста на 50-60% Размножается в культуре in vitro Ротационный период 5 лет (фото справа)

Полевые испытания ГМ деревьев FAO, Preliminary review of biotechnology in forestry, 2005. 1988 – первые полевые испытания ГМ лесной породы (Бельгия). Среди лесных ГМ пород: Pinus, Picea, Eucalyptus, Populus, Betula Основные свойства ГМ деревьев: 1 - Устойчивость к гербицидам 2 - Устойчивость к вредителям и болезням 3 - Повышенная скорость роста 4 - Модификация лигнинов

Экономическая эффективность биотех инноваций (Sedjo, 2005)

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!