Отбор клонов культур клеток осины для создания топливно-энергетических плантаций

2

Отдел образования Гомельского исполнительного комитета

Государственное учреждение образования

«Гимназия №14 г. Гомеля»

245046 г. Гомель, ул. Олимпийская,18

Отчет

О научно-исследовательской работе

Отбор клонов культур клеток осины для создания топливно-энергетических плантаций

Исполнители

Бурцева Д.В.,

Черствая И.Э.

ученицы 9 «Б»

Научный руководитель

Падутов В.Е.

Руководитель темы

Свириденко Т.М.

Гомель 2009

Содержание

1. Описание идеи и мотивов практической деятельности

2. Цели и задачи исследования

3. Перечень выполненных практических действий и основные достигнутые результаты

Заключение

Список использованных источников

1. Описание идеи и мотивов практической деятельности

В настоящее время в разных странах мира все более актуальной становится проблема производства электроэнергии за счет местных видов топлива, альтернативных по отношению к углеводородному сырью. Для Беларуси эта проблема усугубляется тем, что с 2011 г. правительство Российской Федерации задекларировало план реализации энергоресурсов для всех государств по мировым, фактически-устанавливаемым на момент реализации цен. В связи с этим Советом Министров поставлена задача обеспечения энергетической безопасности страны и использования местных видов топлива для производства 25% всей необходимой электроэнергии.

К местным видам топлива, в первую очередь, относится древесина. В разных странах мира сейчас проводятся активные работы по отработке технологий создания специализированных плантаций, имеющих топливно-энергетическое назначение. В некоторых странах (Финляндия, Швеция, Эстония, Германия) уже начата закладка таких плантаций. В Беларуси принято решение о создании ежегодно 200 гектаров топливно-энергетических плантаций, с постепенным доведением масштабов до 1,5 тысяч гектаров. Однако даже для закладки 200 гектаров плантаций необходимо более 1 млн. саженцев. Если бы для создания топливно-энергетических плантаций использовались хвойные породы, то не возникало бы проблем с получением нужного количества посадочного материала. В республике имеется около 200 лесных питомнических хозяйств, выращивающих саженцы хвойных пород для лесовосстановления. Но хвойные породы относятся к медленно растущим видам. Поэтому для создания топливно-энергетических плантаций используются быстрорастущие лиственные породы: осина, береза и др. Специализированных питомнических хозяйств, выращивающих саженцы этих видов, в республике нет. Лесохозяйственным организациям для создания топливно-энергетических плантаций приходится находить и выкапывать саженцы лиственных пород в лесу, что, естественно, вызывает большие проблемы в обеспечении лесного хозяйства необходимым количеством посадочного материала.

Как показывает зарубежный опыт, решение этой проблемы заключается в использовании метода микроклонального размножения, который позволяет получать любое необходимое количество посадочного материала, при условии, что имеется культура клеток соответствующего вида. В настоящее время, в мире для создания топливно-энергетических плантаций в первую очередь используются представители рода Тополь, включая осину. При этом наибольшее распространение получили клоны осины финской селекции. В Латвии проведена собственная селекция осины и отобраны клоны, которые, как показывают испытательные культуры, позволяют получать 200-250 м³ древесины с 1 гектара в возрасте 15 лет. Для сравнения необходимо отметить, что в Беларуси такое же количество древесины хвойных пород можно получить только при рубке 80-летних насаждений. Начаты аналогичные работы и в России в Санкт-Петербурге. В Российской Федерации сейчас планируется создать 5 лесных биотехнологических центров для получения посадочного материала с целью создания специализированных плантаций.

С 2007 года Гомельская гимназия №14 начало активное сотрудничество с НАН Института леса Беларуси (лаборатория генетики и биотехнологии). С этого момента мы стали работать над разработками технологий создания топливно-энергетических плантаций, с использованием различных видов берез и осины.

Объектом нашего исследования являются микроклональные клоны осины из коллекции Института леса НАН Беларуси.

Научная и практическая значимость исследования. Изучены процессы адаптации микроклональных растений осины к нестерильным почвенным условиям. Выявлены наиболее перспективные для выращивания посадочного материала клоны культур осины. Проведен сравнительный анализ адаптации и роста микроклональных саженцев трех клонов осины (Pt, V22 и 215) в лесной почве (сосняк мшистый) и торфо-песчаной смеси. Выявлены наиболее перспективные для выращивания посадочного материала клоны культур осины - Pt и 215.

Показано, что на первом этапе разработки технологии закладки топливно-энергетических плантаций микроклональными растениями целесообразнее использовать клон 215. Клон Pt, как более чувствительный к изменению условий выращивания, следует использовать, когда все этапы технологического процесса прошли опытно-промышленную проверку.

2. Цели и задачи исследования

Цель настоящей работы - изучить эффективность адаптогенеза различных клонов микроклональных культур осины в нестерильных условиях и отобрать клоны, позволяющие получать большее количество стандартного посадочного материала.

Наиболее трудоемким и ответственным этапам, поскольку именно от него зависит успех получения посадочного материала из микроклональных растений, является укоренение микропобегов в почвенный субстрат и их последующая адаптация к нестерильным условиям выращивания.

Для выполнения наших целей, нам нужно было решить следующие задачи:

1) Провести пересадку микроклональных растений осины из условий in vitro в нестерильные условия ( ex vitro) в различные виды почвенных субстратов.

2) Провести морфометрические измерения растений в течение периода адаптации.

3) Провести сравнительный анализ различных клонов осины, и отобрать перспективные клоны для массового выращивания посадочного материала.

3. Перечень выполненных практических действий и основные достигнутые результаты

Процесс клонального микроразмножения осины был условно разделён на три этапа:

1) выбор растения-донора, изолирование эксплантов и получение хорошо растущей стерильной культуры;

2) собственно микроразмножение, когда достигается получение максимального количества меристематических клонов;

3) укоренение размноженных побегов с последующей адаптацией их к почвенным условиям, а при необходимости депонирование растений-регенерантов при пониженной температуре (+2^оС, +10^оС);

Дополнительным этапом развития микроклональных растений является их выращивание в условиях теплицы и подготовка их к реализации или посадке в поле.

Третий этап (укоренение микропобегов, их последующая адаптация к почвенным условиям и высадка в поле) явился не просто наиболее трудоемким этапам, но и наиболее ответственным, поскольку именно от него зависел успех клонального микроразмножения.

Растения с двумя-тремя листьями и хорошо развитой корневой системой вынимали из колб и пробирок пинцетом с длинными концами или специальным крючком. Корни отмыли от остатков агара и высадили в почвенный субстрат, предварительно простерилизованный при 85-90°С в течение 1-2 ч. Для большинства растений в качестве субстратов используют торф, песок (3:1); торф, дерновую почву, перлит (1:1:1); торф, песок, перлит (1:1:1).

Приготовленным заранее почвенным субстратом заполнили пикировочные ящики или торфяные горшочки, в которых выращивают растения-регенеранты. Горшочки с растениями поместили в теплицы с регулируемым температурным режимом (20-22° С), освещенностью не более 5 тыс. лк и влажностью 65-90%. Для лучшего роста растений создали условия искусственного тумана. В тех случаях, когда нет возможности создать такие условия, горшочки с растениями накрывают стеклянными банками или полиэтиленовыми пакетами, которые постепенно открывают до полной адаптации растений.

Растения, проходящие адаптацию, подвергаются воздействию пониженной влажности, поэтому у них возникают проблемы с уровнем испарения и транспортом. Для решения этой проблемы были с переменным успехом опробованы различные методы: применение поглотителей воды, нанесение на среду маслянистых веществ, использование специальных крышек, открывание контейнеров с растениями, охлаждение дна сосудов (Валиханова, 1996). Наращивание концентрации агара или сахарозы или добавление осмотических агентов, таких как полиэтиленгликоль, к среде культивирования может также снизить относительную влажность. Во время адаптации испарение постепенно снижается, так как устьичная регуляция становится более упорядоченной и утолщается устьичная кутикула и восковой слой. Испарение через кутикулу у адаптированных растений было выше, чем у растений, выращенных из семян, что связано с более длительным процессом фомирования воскового налета. Скорость испарения, сходная с обычными растениями, у экспериментальных растений была получена через 8-12 недель.

Через 20-30 дней после посадки хорошо укоренившиеся растения подкармливали растворами минеральных солей Кнудсона, Мурасига и Скуга, Чеснокова, Кнопа или комплексным минеральным удобрением. По мере роста растений их рассаживают в большие емкости со свежим субстратом. Дальнейшее выращивание акклиматизированных растений соответствует принятой агротехнике выращивания для каждого индивидуального вида растений.

В связи с недостаточным развитием корневой системы у пробирочных растений целесообразно на третьем этапе клонального микроразмножения применять искусственную микоризацию растений (для микотрофных), учитывая их положительную роль в снабжении растений минеральными и органическими питательными веществами, водой, биологически активными веществами, а также в защите растений от патогенов.

В качестве объектов исследования были использованы клоны осины из коллекции лаборатории генетики и биотехнологии Института леса НАН Беларуси.

Клон Pt: материнское дерево отличается быстрым ростом и устойчивостью против сердцевинной гнили. Введен в культуру Подольской В.А. (Санкт-Петербург).

Клон V22: Материнское дерево относится к зеленокорой форме осины, отличается быстрым ростом и устойчивостью против сердцевинной гнили. Введен в культуру Яцыной А.А. (Гомель).

Клон 215: материнское дерево относится к исполинской форме, отличается быстрым ростом и устойчивостью против сердцевинной гнили. Введен в культуру Яблоковым С.А. (Воронеж).

Микроклональные растения были высажены торфо-песчаную смесь (3:1) и лесную почву, взятую в сосняке мшистом (рис. 5). Почва сосняка мшистого была взята для экспериментов, поскольку предварительные данные, полученные сотрудниками лаборатории генетики и биотехнологии, показали, что при ее использовании по сравнению с другими типами лесных почв наблюдается больший выход посадочного материала.

Измерения саженцев производили через 30 дней после посадки.

В почве сосняка мшистого было высажено 50 растений клона Pt, 14 растений клона 22 и 50 растений клона 215. Данные измерения высоты растений на 30 день после посадки представлены в таблице 1.

Таблица 1. Высота растений различных клонов осины на 30 день после посадки в почву сосняка мшистого

Саженцы клонов V22 и 215 достоверно между собой не различаются (табл. 1). Однако высокий процент отпада у саженцев клона V22 не позволяет рекомендовать его для дальнейшей работы по отработке технологии выращивания посадочного материала осины.

Как следует из таблицы 1, наибольшей интенсивностью роста обладает клон Pt. Таким образом, данный клон потенциально является наилучшим кандидатом для получения посадочного материала, используемого при закладке топливно-энергетических плантаций.

Однако сравнение растений клонов Pt и 215 по ранжированному ряду высоты саженцев (рис. 1), позволяет сделать вывод о целесообразности использования в дальнейших экспериментах клона 215. Растения клона 215 имеют больший процент сходных по размеру растений по сравнению с саженцами клона Pt. Данный критерий имеет особое значение при создании плантаций, так как позволяет получать большее количество стандартного посадочного материала.

Рисунок 1 - Ранжированный ряд высоты (в мм) саженцев осины клонов Pt и 215 при выращивании в почве сосняка мшистого

Микроклональные растения, отобранных клонов Pt и 215, были использованы и для выращивания саженцев в торфо-песчаном почвенном субстрате. Данные по адаптации и росту микроклональных растений двух клонов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Высота растений различных клонов осины на 30 день после посадки в торфо-песчаный почвенный субстрат

Как следует из таблицы 2, торфо-песчаная смесь является менее пригодной для выращивания осины. Растения клона Pt уменьшают интенсивность роста по сравнению с саженцами, выращенными в почве сосняка мшистого - 62,0 мм и 92,2 мм соответственно. У растений клона 215 увеличивается отпад саженцев - 16% и 2% соответственно.

Следует отметить также, что при использовании лесной почвы для выращивания посадочного материала себестоимость саженцев ниже, чем при использовании торфо-песчаной смеси, наиболее употребимой в тепличных и питомнических хозяйствах.

В то же время, если учитывать потребность лесного хозяйства в посадочном материале (сотни тысяч саженцев), то необходимо рассматривать торфо-песчаную смесь, производство которой налажено в республике в промышленных масштабах, как основной тип почвенного субстрата для выращивания посадочного материала осины.

В целом анализ показывает, что при выращивании в торфо-песчаной смеси саженцы клонов Pt и 215 ни по средней высоте, ни по проценту отпада не отличаются друг от друга. Сходными являются и результаты сравнения ранжированного ряда высоты саженцев клонов Pt и 215 (рис. 2).

Сравнительный анализ саженцев клонов Pt и 215, выращенных в разных почвенных субстратах, показывает, что клон Pt более чувствителен к изменениям выращивания. Таким образом, несмотря на больший потенциал роста у клона Pt, на первых этапах отработки технологий закладки топливно-энергетических плантаций микроклональными растениями осины, необходимо ориентироваться на клон 215, как более стабильный в различных условиях. Клон Pt будет более интенсивным только при строгом соблюдении всей агротехнологии его выращивания и, поэтому, требует более длительного периода времени для создания соответствующей технологии.

Рисунок 2 - Ранжированный ряд высоты (в мм) саженцев осины клонов Pt и 215 при выращивании в торфо-песчаном почвенном субстрате

Заключение

На основе полученных результатов установлено, что клоны осины Pt и 215 являются наиболее перспективными для производства посадочного материла при закладке топливно-энергетических плантаций.

Клон 215, как устойчивый изменениям условий выращивания, можно рекомендовать для первого этапа разработки технологии получения посадочного материала.

Клон Pt может быть использован, когда все этапы технологии прошли опытно-промышленную проверку и создано налаженное производство.

В дальнейшем мы планируем изучение адаптацию регенератов березы к нестерильным почвенным условиям. Данные нашей работы будут положены в основу разработки технологии массового выращивания микроклональных растений осины и березы в условиях Беларуси для создания топливно-энергетических плантаций.

Список использованных источников

1 Андреев В.П., Марков А. Г., Дубенская Г. Н., Сороколетова Е. Ф. Биология: Толковый словарь. - СПБ.: Лань, 1999. - 448 с.

2 Валиханова Г. Ж. Биотехнология растений. - Алматы: Конжык, 1996. - 272с.

3 Картель Н.А., Кильчевский А.В. Биотехнология в растиниеводстве. - Мн.: Тэхналогiя, 2005. - 310 с.

4 Катаева Н.В., Аветисов В.А. Клональное размножение в культуре ткани // Культура клеток растений. - М.: Наука, 1981. - С.137-149.

5 Катаева Н.В., Аветисов В.А. Клональное размножение в культуре ткани. // Культура клеток растений. - М.: Наука, 2001. - С.137-149.

6 Катаева Н.В., Бутенко Р.Г. Клональное микроразмножение растений. - М.: Наука, 2003. - 96 с.

7 Родин А.Р., Калашникова Е.А. Использование методов клеточной и генной инженерии для получения посадочного материала древесных пород. Учебное пособие. - М.: МГУЛ, 1993. - 90 с.