Ученые совершили знаковое для изучения карельской березы открытие: обнаружен участок генома, отвечающий за проявление ее главного признака – узорчатости древесины. Это позволит выявлять карельскую березу на самых ранних стадиях развития, что важно для создания плантаций. Сегодня на практике отличить ее от других сородичей можно лишь на 8–15 год – именно в этом возрасте начинает проявляться знаменитый «мраморный» рисунок. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports издательства группы Nature.
За знаменитый рисунок карельскую березу называют деревянным мрамором. Фото из архива Л.В. Ветчинниковой
Коллектив ученых из Петрозаводска и Санкт-Петербурга провел молекулярно-генетический анализ 192 деревьев карельской березы. В результате исследователям впервые удалось обнаружить генетический локус – участок ДНК, на котором располагаются гены, ответственные за появление узорчатости древесины. Это открытие имеет большое значение как для фундаментальной науки, так и практического применения.
Результат исследования проливает свет на одну из главных загадок в изучении карельской березы: по какой причине формируется знаменитый «мраморный» рисунок. В течение почти ста лет ученые строили различные гипотезы, в том числе о влиянии внешних факторов – вирусов, погодных условий, или внутренних – генетических. Главный научный сотрудник Института леса КарНЦ РАН, доктор биологических наук Лидия Ветчинникова – сторонник генетической природы формирования узорчатой древесины у карельской березы и один из авторов эколого-генетической гипотезы ее происхождения. В XX веке многие ученые приводили экспериментальные доказательства того, что узорчатая древесина передается по наследству, однако требовалось проведение исследований на молекулярном уровне, но технических возможностей тогда не было.
– Сейчас, когда появилось оборудование нового поколения с высокой разрешающей способностью, удалось провести такое исследование. Удачной оказалась десятая хромосома: на ней обнаружен участок, который может служить ДНК-маркером узорчатости. То есть мы с высокой точностью предполагаем, что в этой зоне располагаются гены, отвечающие за узорчатую текстуру древесины, – рассказала Лидия Ветчинникова.
Исследование реализуется в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом (№22-16-00096, руководитель – доктор сельскохозяйственных наук Анатолий Жигунов). Молекулярно-генетический анализ проводился силами специалистов Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета и Сколковского института науки и технологий. Лидия Ветчинникова является одним из основных участников этого проекта.
– Важным звеном при проведении подобного исследования считается подбор объектов. На материале одного дерева это сделать невозможно, необходимо большое количество растений. К счастью, в Карелии еще сохранились производственные посадки карельской березы, созданные с помощью контролируемого опыления, например, лесосеменная плантация. Выборка деревьев была научно обоснована с учетом биологических особенностей карельской березы, – рассказала ученый.
Результаты исследования опубликованы в международном журнале Scientific Reports издательства группы Nature. По мнению Лидии Ветчинниковой, в свете авторитетного признания важно подчеркнуть значимость наличия в республике не только научных объектов, но и таких как лесосеменная плантация и ботанические заказники, которые отсутствуют где-либо еще в России. Они требуют повышенного внимания и работ по сохранению, поскольку представляют ценный и уникальный генофонд.
– В 90-е годы карельская береза пострадала от незаконных рубок, сократилась ее численность, отсутствует молодое потомство. Решением вопроса о восстановлении ресурсов могло бы стать создание новых плантаций, но только с учетом научных результатов, полученных в Институте леса, сотрудники которого в настоящее время являются лидерами в этом направлении. Знания, полученные при выполнении проекта, открывают новые возможности для продолжения исследований в познании тайн карельской березы, – отметила ученый.
Фрагмент коллекции in vitro клонов редких видов семейства Betulaceae. Фото из архива Л.В. Ветчинниковой
Так как все исследованные деревья происходят из Карелии, на следующем этапе работы участники проекта намерены проверить, работает ли обнаруженный маркер по всей географии распространения карельской березы. Сделать это позволит коллекция in vitro клонов редких видов семейства Betulaceae (Березовые), созданная Лидией Ветчинниковой в Институте леса КарНЦ РАН. Она включает в себя клоновое потомство от более чем 100 деревьев из России, Дании, Норвегии, Швеции, Финляндии и Белоруссии, часть из которых уже отсутствует в природе. Клонирование, которым карельские ученые занимаются с 1990-х годов, является наиболее эффективной технологией получения саженцев карельской березы и гарантированного сохранения уникальных признаков исходных деревьев.
Открытие важно и в практическом плане. Несмотря на наследуемость признака, в потомстве карельской березы нередко может проявляться и «обычная» не узорчатая древесина, характерная для березы повислой. Ученые объясняют это гибридным происхождением: по их мнению, карельская береза возникла в результате скрещивания разных видов березы в определенных климатических условиях, которые сложились на территории бассейна Балтийского моря в так называемый малый ледниковый период (XIV–XIX вв.). Кроме того, карельская береза, в свою очередь, также может скрещиваться с обычной, что ведет к расщеплению признака и исчезновению узорчатости. Все это создает сложности при создании современных плантаций. Ситуация усугубляется тем, что признаки «карелистости» проявляются у дерева в среднем лишь на 8–15 год жизни. Найденный генетический маркер позволит делать точный прогноз наличия или отсутствия мраморного рисунка на более раннем этапе развития.
«Выявление возможностей генетической диагностики узорчатой древесины и разработка соответствующих молекулярных маркеров позволят предотвратить чрезмерные затраты и усилия по содержанию насаждений карельской березы, в том числе в случае их создания в промышленных целях», – отмечают авторы исследования.
Наконец, результаты работы могут способствовать пересмотру таксономического статуса карельской березы. Сегодня она считается разновидностью березы повислой, однако Лидия Ветчинникова с коллегами убеждены, что она соответствует рангу вида. Помимо прочего, это важно для внесения карельской березы в Красные книги и проведения мероприятий по сохранению и восстановлению ее уникального генофонда.
Информация и фото предоставлены Службой научных коммуникаций КарНЦ РАН