В мире исчезающих растений

Растение, созидающее великанов

Голландский биолог Гуго де Фриз (1848–1935 годы) в отличие от Дарвина полагал, что новые виды возникают не путем постепенного накопления полезных изменений, а внезапно, скачком, сразу превращающим один вид в другой. Объект для исследования нашелся совсем недалеко от местожительства де Фриза — около Хилверсюма близ Амстердама. Это было заносное американское растение энотера Ламарка, произраставшее как сорняк. Здесь недалеко от столицы Голландии энотера проявила изумительное разнообразие по форме стеблей, листьев и строению цветков. Решив исследовать растения, де Фриз скрупулезно пересевал семена от каждого из взятых под наблюдение.

Подавляющее большинство растений явно не желало изменяться. Некоторые изменялись, но изменения не сохранились в потомстве. Наконец, было обнаружено два растения, стойко передающих изменения потомству.

Культивируя растения, де Фриз за 7 лет исследования обнаружил до 800 стабильных изменений-мутаций. Прошло 16 долгих лет, прежде чем взыскательный ученый решился на публикацию новой теории, которая была названа мутационной.

Желая изучить изменчивость растения непосредственно на родине, де Фриз выезжает в Америку. Его лекции здесь сопровождаются овациями, поездка — триумфом. Имя де Фриза на устах всего научного мира.

С этих пор он не просто ученый, известный в узких кругах, а творец теории, успешно доказанной многолетним трудом.

Но де Фризу еще при жизни пришлось испытать горькое разочарование. Выбранный им объект оказался коварным гибридом, дающим естественное, но крайне замедленное расщепление по разнообразным признакам своих далеких предков-родителей.

Энотера, взятая в эксперимент, оказалась полиплоидом — растением с удвоенным набором хромосом, что и вызвало замедленное проявление ее гибридной природы. Идея, высказанная де Фризом, со временем была подтверждена на более удачных объектах, и наука сохранила его имя как основателя теории мутагенеза.

Этот случай примечателен в истории науки тем, что гипотеза послужила прочнейшим фундаментом для целого направления в биологии, давшего со временем людям замечательнейшее средство ускорения культурной эволюции растений в желаемом для селекционеров направлении.

Особенно полиплоидией биологи заинтересовались после исследования уникальной мутации де Фриза — гигантской. Этот выщепенец вполне оправдывал свое название, так как обладал очень крупными и утолщенными цветками и листьями и выделялся среди собратьев, как Гулливер в стране лилипутов.

Вскоре полиплоиды — растения с кратно увеличенным более чем вдвое против гаметического набором хромосом обнаружили чуть ли не во всех ботанических семействах растительного царства. Большинство из них отличалось явным гигантизмом. Ученые заинтересовались: а нельзя ли растения-гиганты получать искусственно? Пример искусственного получения полиплоидов уже был. В 1889 году русский ученый И. И. Герасимов, подвергнув в течение 5–10 минут охлаждению клетку спирогиры при температуре –4 °C, получил клетку с двумя наборами хромосом.

Воздействуя необычными для растений пониженными или повышенными температурами, ученые сумели добиться появления полиплоидных клеток или возникновения полиплоидных растений целиком у таких видов как кипрей, кукуруза, пшеница, рожь, ячмень, лен, томат, шелковица. Успех принес и метод получения полиплоидов путем регенерации из каллуса, возникающего на месте среза или механического повреждения растения (томат, паслен, капуста, табак, картофель). Полиплоиды удалось выделить среди растений, способных давать семена с двумя и большим числом зародышей. Но выход полиплоидов был тем не менее столь мизерен, что практического значения эти методы получить не могли.

1937 год оказался поистине знаменателен для биологов и селекционеров всего мира. В этом году сразу трое ученых — Блексли, Эйвери и независимо от них Небель — предложили колхициновый метод полиплоидизации, открывавший новую страницу в селекции культурных растений и цитогенетике.

Для полиплоидизации они использовали колхицин — алкалоид, давно выделяемый для медицинских целей из семян и клубнелуковиц безвременника осеннего (Colchicum autumnale). Ныне колхицин широко применяется в виде водных растворов, ланолиновой пасты, растворов в агаре, глицерине или касторовом масле в целях индуцирования полиплоидии путем обработки семян, клубней или интенсивно делящихся тканей растений.

В чистом виде колхицин представляет собой белый или желтовато-белый порошок, легко растворимый в воде, спирте и хлороформе, но почти нерастворимый в эфире. Как химическое соединение колхицин довольно устойчив: он не разлагается при хранении и стерилизации в автоклаве. Подавляя действие механизма веретена в процессе митоза, колхицин приводит к увеличению числа хромосом.

Первые же работы по полиплоидизации с помощью колхицина выявили высокую результативность метода. Благодаря экспериментальной полиплоидии были получены наиболее продуктивные в мире сорта кормовых трав, турнепса, сахарной и кормовой свеклы, ржи, редиса, кок-сагыза и шелковицы. Полиплоидия оказалась незаменимым приемом в селекции декоративных, ароматических и лекарственных растений. Увеличенными размерами плодов и нередко повышенной сахаристостью отличаются полиплоиды плодово-ягодных культур. Полиплоидия открыла новую блестящую главу в селекции черной смородины.

С помощью полиплоидии удалось преодолеть у ряда растений самонесовместимость (неспособность к самооплодотворению) и перекрестную несовместимость при межвидовых и межродовых скрещиваниях растений разного уровня плоидности (табак, картофель и др.). Полиплоидия позволила восстановить плодовитость у межвидовых и межродовых гибридов (капуста × редька, пшеница × рожь, черная смородина × крыжовник и др.) и синтезировать новые хозяйственно-ценные культуры растений, например тритикале.

Колхицинирование дало возможность у некоторых растений закрепить на ряд поколений и гетерозис — превосходство по определенным признакам гибридов над родительскими формами, ранее отмечаемый только для первого поколения (пшеница × рожь, паслен съедобный × паслен птичий).

Генетики и селекционеры, зная происхождение растений, заново воссоздали с помощью полиплоидии естественные виды растений, придав им новые полезные качества. Так, синтетический рапс оказался не только более урожайным, но и более зимостойким, чем естественный рапс. Ведутся работы по созданию с исключением допущенных природой «ошибок» пшеницы и картофеля.

Источником колхицина послужило многолетнее травянистое растение семейства лилейных — безвременник осенний. Это растение в качестве поставщика колхицина пока введено в культуру только в Греции, Англии, ФРГ.

Подземная часть у безвременника образует клубнелуковицу. Снаружи луковица обернута двумя влагалищными листьями; под ними 3–4 листовых зачатка, образующих листья весной следующего года. Луковица двухлетняя, сидящая довольно глубоко в земле. Влагалища черно-бурые, продолжающиеся в длинную трубку.

Листья (их 3–8) удлиненноланцетные, плоские, большей частью узкие, тупые, развиваются весной. Осенью на донце старой луковицы образуется продольная срединная выемка, в которой закладывается молодая луковица-детка; старая луковица на следующий год к лету постепенно отмирает.

Цветки (они появляются только осенью) розовые или лилово-розовые, крупные, обоеполые, с простым околоцветником из воронковидного шестираздельного отгиба и длинной тонкой трубки, нижняя часть которой во время цветения скрыта в земле. Тычинок шесть, из них три коротких и три длинных. Столбиков три, они нитевидные, с булавовидными рыльцами. Цветение в сентябре — октябре, плодоношение в июне — июле следующего года (поэтому растение и назвали безвременником). В июле надземная часть полностью отмирает.

Плод — продолговатоокруглая трехгнездная многосеменная кожистая коробочка, раскрывающаяся по перегородкам, семена округлояйцевидные, темно-бурые, слегка морщинистые. Все растение остроядовито.

В СССР безвременник осенний дико произрастает по сырым лугам, в редких зарослях кустарников и изреженных лесах Западной Украины, Литвы и Латвии. Основные заросли находятся в бассейнах Прута и Тиссы. К сожалению, они безжалостно уничтожаются «любителями» цветов.

К несчастью генетиков и селекционеров это растение оказалось не только могучим средством селекции в их руках, но и средством медиков (пусть и слабым) от подагры, ревматизма, астмы, применяемого также в качестве слабительного и мочегонного. В связи с отсутствием культуры безвременника осеннего у нас отсутствует и отечественное производство колхицина, столь необходимого в первую очередь генетикам и селекционерам.

В культуре безвременник осенний можно легко размножать клубнелуковицами и семенами. Семена, вызревающие весной или в начале лета, высевают в парники в торфоперегнойные горшочки. Рассаду высаживают на постоянное место только весной будущего года. При посеве осенью всходы появляются лишь будущей весной. Растение предпочитает умеренно влажную почву.

Все виды безвременника в СССР (а их ботаники насчитывают от 6 до 10 видов, в том числе два эндемичных) нуждаются в охране. Из распространенных видов три (осенний, великолепный и белозёвый) уже нашли применение либо в селекции, либо в медицине. Во всех безвременниках содержатся алкалоиды колхицин и колхамин, используемые в генетике, селекции и медицине; в последнем случае как противосудорожное, инсектицидное и ратицидное средство. В 1949 году из них выделен новый алкалоид колхицерин. Некоторые виды безвременника обладают красивыми цветками и могут содержаться в ботанических садах как декоративные растения.