Ваниль

Важность генетических ресурсов растений

Сохранение генетических ресурсов растений представляет собой основную стратегическую проблему для всей деятельности, связанной с сельским хозяйством и агропродовольственной промышленностью, особенно в нынешних условиях изменения климата. В глобальном масштабе с 1950-х годов рост населения и развитие интенсивного сельского хозяйства способствовали сокращению разнообразия видов растений. Сегодня защита этих ресурсов имеет жизненно важное значение для достижения устойчивой продовольственной безопасности населения.

С 1970-х годов был разработан ряд инициатив по сохранению разнообразия культивируемых видов. В 1971 году создание Консультативной группы по международным сельскохозяйственным исследованиям (CGIAR) дало первоначальный ответ на проблему утраты генетического разнообразия основных сельскохозяйственных видов. В настоящее время 11 из 15 центров CGIAR отвечают за поддержку международных генных банков для хранения и распространения генетических ресурсов растений, которые составляют основу мировой продовольственной безопасности (http://www.cgiar.org/index.html). Совсем недавно были предприняты инициативы, направленные на охрану коллекций генетических ресурсов. К ним относятся создание Центров биологических ресурсов Организации экономического сотрудничества и развития или Глобального фонда разнообразия сельскохозяйственных культур (http://www.croptrust.org/main/), который стоит за такими операционными проектами, как Глобальное хранилище семян Свальбарда, в котором в настоящее время хранится почти 660 различных родов и 3300 видов со всех континентов (http://www.croptrust.org/main/arctic.php?itemid=211).

Хотя основные сельскохозяйственные виды охвачены признанными системами сохранения, было предпринято несколько крупномасштабных инициатив по сохранению малоиспользуемых и неподдерживаемых видов. Однако, для решения задач будущего, изучение и защита сельскохозяйственного биоразнообразия должны не основываться исключительно на ограниченном числе видов, а рассматриваться с широкой, открытой точки зрения, представляя каждый вид как взаимозависимого друг от друга представителя своего собственного специфического эволюционного процесса.

Сегодня программа сохранения не может быть реализована без предварительного определения целей использования ресурсов и получения знаний о внутри- или межвидовом генетическом разнообразии. После определения целей, следует задать вопросы о репрезентативности генетического разнообразия (что следует сохранять и в каких количествах?), а также о стоимости создания и поддержания этих коллекций.

Коллекции in situ состоят из охраняемых видов в их естественных или измененных человеком экосистемах, другими словами, в месте, в котором они развили свои отличительные характеристики. Эти коллекции в основном касаются дикорастущих видов и часто представлены национальными или региональными парками, которые защищают экосистемы в целом. Хотя этот тип охраны представляет собой идеальную модель, поскольку поддерживает давление отбора окружающей среды, его эффективность, с точки зрения сохранности, часто зависит от степени участия местного населения в управлении регионом и его ресурсами. Более того, он не обеспечивает защиты от климатических или биологических рисков (патогены, вредители растений или инвазивные виды).

Коллекции ex situ состоят из генетических ресурсов, сохраняемых за пределами их естественной среды обитания. Степень защиты ресурсов и их независимости по отношению к окружающей среде сильно различается в зависимости от типа хранения. Живые растения могут храниться в виде полевых коллекций, дендрариев, в теплицах или в культуре тканей. Фрагменты растений (меристемы, зародыши, ткани), позволяющие регенерацию целого растения, можно хранить при очень низкой температуре в жидком азоте. Семена обычно хранятся в холодильнике при контролируемой влажности. Хранение пыльцы при низкой температуре означает сохранение запаса гаплоидного материала. Сохраняя больше разнообразия при меньших затратах, банки ДНК пригодны для внутри- и межвидовых генетических исследований. Внутри коллекций ex situ различают охраняемые и действующие или работающие коллекции, которые дают начало конкретной деятельности, связанной с хранящимися ресурсами, например, изучением генетического разнообразия или в области селекции растений.

Тем не менее, методы хранения ex situ зависят от деятельности человека и от бесперебойного функционирования природоохранных объектов и сооружений.

Наконец, гербарии (см. главу 4) – первый метод консервации видов растений (шестнадцатый век) – и коллекции в спирте необходимы, особенно для проведения таксономических исследований.

Хотя экономические затраты на поддержание коллекций связаны с количеством хранимых образцов, вопрос о количестве особей, представляющих разнообразие и обеспечивающих безопасность образцов, имеет решающее значение. Принцип «основной коллекции» может дать ответ. Нуаро с коллегами разработали метод создания основной коллекции на основе количественных данных (Noirot et al., 1996). Этот метод (оценка основных компонентов) направлен на включение максимального разнообразия из базовой коллекции в выборку минимального размера, избегая при этом дублирования.

Что касается генетических ресурсов растений, каждая система хранения имеет свои преимущества и недостатки, и часто только сочетание этих различных систем позволяет оптимизировать и обеспечить сохранность ресурсов.

Помимо количественного аспекта (количество хранимых видов и образцов), в настоящее время, качество данных и исследовательских программ, связанных с ресурсами, является ключевым элементом при обосновании материальных и человеческих инвестиций. Ценность и точность этих данных также способствуют развитию ресурсов.

Генофонд Vanilla

Род Vanilla, относящийся к семейству орхидей, включает 90–100 видов в зависимости от автора (Bory et al., 2008c). Большинство этих видов дикорастущие; только два из них, V. planifolia и V. tahitensis, выращиваются для производства товарной ванили, при этом V. planifolia обеспечивает 95% мирового производства. Таксономия ванили очень старая, неполная и все еще неточная (Portères, 1954; Rolfe, 1896; см. главу 1). Следовательно, её необходимо тщательно пересмотреть, особенно в свете результатов недавних молекулярно-генетических и цитогенетических исследований (Bory et al., 2008a, 2008b; Cameron, 2003, 2009; Schluter et al., 2007; Soto Arenas, 2003; Verma et al., 2009). Например, несколько недавних исследований происхождения V. tahitensis предполагают, что этот вид является результатом скрещивания V. planifolia и V. odorata (Besse et al., 2004; Bory et al., 2008d; Lubinsky et al., 2008b).

Виды рода Vanilla в основном встречаются в естественной среде обитания в тропических и субтропических регионах американского, африканского и азиатского континентов. Большинству из видов угрожает разрушение их первоначальной среды обитания, которое усугубляется изменением климата. Вид V. planifolia находится под особой угрозой исчезновения, поскольку основной генофонд в регионе его происхождения (южная Мексика) подвергается значительному давлению, связанному с обезлесением и чрезмерной эксплуатацией природных ресурсов (Soto Arenas, 1999). Во вторичных зонах диверсификации, таких как острова Индийского океана и особенно Реюньон – точка входа вида в этот регион в девятнадцатом веке – наблюдается значительная внутривидовая однородность, что указывает на то, что культивирование может опираться на очень ограниченную генетическую основу и, вероятно, развилось от одной особи путем вегетативного размножения. Молекулярные исследования подтвердили очень низкий уровень генетического разнообразия растений ванили (V. planifolia), культивируемых во всем мире (Bory et al., 2008d; Lubinsky et al., 2008a; Minoo et al., 2008a). Процесс вегетативного размножения, преобладающий у выращиваемых видов ванили, не позволяет поддерживать и расширять генофонд. Тем не менее наблюдается интересное фенотипическое разнообразие, которое можно объяснить накоплением соматических мутаций, возможностью естественного прорастания семян в случае полового размножения, а также вариабельным уровнем плоидности, который можно найти у культурных видов ванили (см. главу 2). Однако, из-за сортовой однородности, выращивание ванили особенно уязвимо для экологических опасностей, таких как изменение климата и появление вредителей растений.

Вторичный генофонд ванили включает около 100 видов, которые распространились в Америке, Африке и Азии. Эти виды обладают индивидуальными свойствами, которые могут представлять особый интерес для генетического улучшения культивируемой ванили – самоопыление, устойчивость к болезням (фузариозу, вирусам), способность приносить большое количество плодов, меньшая зависимость от фотопериода для стимуляции цветения, более высокое содержание ванилина, присутствие других ароматических или лекарственных метаболитов и устойчивость к засухе. Поэтому, создание генных банков, в форме коллекций, чрезвычайно актуально для защиты находящихся под угрозой исчезновения эндемичных генетических ресурсов рода Vanilla (Grisoni et al., 2007; Lubinsky et al., 2008a; Pandey et al., 2008; Soto Arenas, 2006). Их интересные характеристики могут быть использованы в программах генетического улучшения культуры, как это было начато в Индии (Minoo et al., 2006, 2008b; Muthuramalingam et al., 2004).

Обзор охраны генетических ресурсов ванили

Наиболее эффективным средством защиты разнообразия видов ванили должна быть защита in situ в местах их происхождения. Однако, эти природные территории очень часто подвергаются сильному демографическому давлению, которое ставит под угрозу различные виды. Следовательно, этот тип охраны может быть предусмотрен только в том случае, если он связан с глобальной стратегией охраны на уровне территории (Soto Arenas, 1999). В Мексике успех и опыт Национальной комиссии по изучению и использованию биоразнообразия (CONABIO) позволяют реализовать этот метод. В Южной Африке национальный парк Исимангалисо уделяет особое внимание сохранению V. rosheri, которая занимает второе место в списке редких и находящихся под угрозой исчезновения эндемичных видов (Combrink and Kyle, 2006).

Однако, разнообразие ванили, включающее более 100 видов, распространенных на трех континентах и ​​обитающих в различных биотопах, затрудняет создание систем охраны in situ. Поэтому, создание коллекций ex situ представляется необходимой стратегией для защиты генетических ресурсов ванили.

Инициативы разной степени важности в прошлом предпринимались в некоторых странах-производителях ванили (Пуэрто-Рико, Мадагаскар, Коста-Рика, Мексика). Так, с 1940-х годов на станции Маягуэс в Пуэрто-Рико проводились исследования по определению характеристик и улучшению растений ванили (Childers et al., 1959). Примерно в то же время на Мадагаскаре ванильная станция Амбохитсара около Анталахи начала собирать и гибридизировать широкий спектр растений ванили (Dequaire, 1976). Однако, эта коллекция была уничтожена повторяющимися циклонами, отсутствием обслуживания и распространением вирусов (Grisoni, 2009). В конце 1970-х годов Центр тропических сельскохозяйственных исследований и высшего образования (CATIE) в Коста-Рике собрал и сохранил около 32 образцов ванили из Центральной Америки. Часть этой коллекции была сохранена путем пассажа in vitro (Jarret and Fernandez, 1984). В Мексике, наряду с программой CONABIO, была создана коллекция клонов, представляющих разнообразие в стране, но, к сожалению, её не удалось сохранить (M.A. Soto Arenas, личн. комментарий).

Сегодня наиболее важные коллекции находятся на Реюньоне (CIRAD), во Французской Полинезии (EVT), Шербурге (council/MNHN), в Индии (ICRI) и в Соединенных Штатах (таблица 3.1). Несколько ботанических садов и исследовательских институтов также содержат некоторое количество образцов ванили в своих теплицах (Оранжерейный сад Отёй, Люксембургский сад и Ботанический сад Нанси во Франции, Королевский ботанический сад Кью и Ботанический сад Копенгагена в Европе, Университет Рутгерса и Ботанический сад Нью-Йорка в США, Ботанический сад Рио-де-Жанейро в Бразилии, Секретариат Тихоокеанского сообщества на Фиджи – и это лишь некоторые из них). Частные коллекции любителей орхидей – еще один источник, иногда редких экземпляров. В целом, в этих коллекциях хранится около 50% глобального разнообразия (с точки зрения количества видов), в основном в виде целых растений in vivo или иногда in vitro.

Данные любезно предоставлены кураторами коллекций.

Однако, в большинстве случаев материал плохо идентифицируется с точки зрения таксономии, а используемые методы консервации не гарантируют полной безопасности ресурсов. Коллекции in vivo не защищены от рисков для здоровья растений (занесение паразитических грибов или вирусов и переносчиков вирусных заболеваний в теплицы) и климатических рисков (штормы, циклоны). Вирусное индексирование показало, что 40% растений ванили в ботанических садах, инфицированы вирусом мозаики цимбидиума (Grisoni et al., 2007). Освоены методы культивирования растений ванили in vitro (см. главу 5), обеспечивающие защиту растительного материала от контаминации. Однако, сохранение коллекций in vitro требует регулярных операций по техническому обслуживанию, что подразумевает большое количество квалифицированных рабочих. Кроме того, преемственность субкультур означает, что могут появиться сомаклональные варианты и исходные генетические ресурсы будут потеряны. По этим причинам методы защиты коллекций должны быть разработаны в срочном порядке. Вариантом на будущее может быть криоконсервация. В Индии криоконсервация пыльцы была успешно проведена в рамках исследований межвидовой гибридизации. Этот прием решает проблему синхронизации цветения у разных видов. Точно так же, протокол криоконсервации верхушки растений ванили стандартизирован для хранения генетических ресурсов (см. главу 5). Протоколы криоконсервации меристем изучаются, особенно в Мексике (Gonzalez-Arnao et al., 2009) и Франции.

На острове Реюньон коллекция генетических ресурсов ванили – центральный элемент Центра биологических ресурсов VATEL, аккредитованного в 2009 году. Официальное признание подразумевает управление ресурсами, соответствующее процессу качества, аналогичному международному стандарту ISO 9001, и требует соблюдения процедур технологии консервации, интродукции биологического материала и распространения генетических ресурсов.

Правила передачи генетических ресурсов ванили

Как и остальные представители семейства орхидей, род Vanilla защищен Конвенцией о международной торговле видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой исчезновения (СИТЕС), также известной как Вашингтонская конвенция (http://www.cites.org/index.html). Целью этой международной конвенции, подписанной 175 странами, является обеспечение того, чтобы международная торговля дикими животными и растениями не ставила под угрозу выживание видов, к которым они принадлежат. Действительно, хотя мы можем считать, что культивированная ваниль не находится под угрозой исчезновения, почти все виды произрастают в естественных лесах, расположенных в зонах повышенного риска. Поскольку семейство орхидей указано в Приложении 2 к конвенции СИТЕС, в которую включено более 28 000 видов растений, к ванили подлежит применению строгих правил в отношении передачи растительного материала и торговли между государствами (рис. 3.1). Эта защита касается всех частей растений и всех побочных продуктов, за некоторыми исключениями, в частности, стручков, их частей и продуктов из культивированной ванили.

РИСУНОК 3.1. Выдержки из статей IV и VII Конвенции о международной торговле видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой исчезновения (СИТЕС).

Однако, пункт 6 статьи VII конвенции («Исключения и другие специальные положения, относящиеся к торговле») способствует обмену некоммерческим растительным материалом в научных целях.

Каждая страна-член СИТЕС должна внедрить законодательство, гарантирующее соблюдение конвенции на национальном уровне. Страны вправе принимать более строгие законы.

Второй уровень, регулирующий доступ к генетическим ресурсам растений в целом и к ванили в частности – это Конвенция о биологическом разнообразии (КБР) или Конвенция Рио (http://www.cbd.int/). На уровне царства растений КБР охватывает все виды, не включенные в Международный договор о генетических ресурсах растений для производства продовольствия и ведения сельского хозяйства (http://www.planttreaty.org/index_en.htm). КБР вступила в силу 29 декабря 1993 года. В нее входит 191 сторона (страна-член), и её три основные цели: сохранение биологического разнообразия, устойчивое использование биологического разнообразия и справедливое и равноправное разделение благ от биологического разнообразия.

Соблюдение правил обмена генетическими ресурсами растений между странами, изложенными в Конвенции, на практике выражается в разработке и подписании сторонами Соглашения о передаче материала (MTA). Этот документ по общему согласию определяет права и обязанности сторон, участвующих в передаче, особенно в отношении вопроса использования ресурсов и распределения выгод и преимуществ, возникающих в результате такого использования. В настоящее время представляется жизненно важным использовать MTA при любом обмене растительным материалом, чтобы предотвратить споры между поставщиками и пользователями генетических ресурсов.

Вопреки Конвенции СИТЕС, нет никаких исключений из правил КБР для использования генетических ресурсов растений в научных целях.

Генетические ресурсы, находившиеся в собственности страны до 29 декабря 1993 г., не подпадают под действие правил Конвенции.

Помимо КБР и правил передачи, любой обмен растительным материалом между странами должен соответствовать обязательствам Международной конвенции по защите растений (http://www.ippc.int/IPP/En/default.jsp), особенно относительно фитосанитарного сертификата, необходимого для любой передачи растительного материала. Первоначальное руководство было составлено IBPGR, ныне Biodiversity International (Pearson et al., 1991), но знания, полученные за последние 15 лет в отношении вирусов ванили (см. главу 7), требуют обновления этого руководства.

Заключение и перспективы

Подобно многим другим видам растений, генетическим ресурсам ванили угрожает исчезновение или генетическая эрозия во многих областях происхождения и разнообразия. Следовательно, необходимо поощрять любые инициативы in situ по сохранению видов, но создание коллекций ex situ имеет важное значение для защиты разнообразия. Этот метод консервации означает, что ресурсы в большей безопасности благодаря механизмам in vitro или криоконсервации, а также упрощает перемещение ресурсов и сбор научных данных. В самом деле, несмотря на множество исследований, которые стали возможными, в частности, благодаря широкому использованию инструментов молекулярной биологии, знание генетики ванили, с точки зрения таксономии рода и свойств различных видов, все еще является неполным. Этот пробел в знаниях становится еще более разительным, когда речь идет об использовании и обычаях, связанных с ванилью, которую выращивают местные общины в регионах, где находятся генетические ресурсы.

Создание глобальной сети коллекций генетических ресурсов in situ и ex situ на основе ветвей с трех континентов (Америки, Африки и Азии), на которых сосредоточена большая часть этих ресурсов, могло бы привести к значительному прогрессу с точки зрения охраны и научно-экономического усовершенствования ванили. Развитие все более эффективной геномики, связанной с методами биотехнологии, означает, что могут быть созданы программы селекции растений. Использование специфических характеристик дикорастущих видов, таких как устойчивость Vanilla aphylla к засухе, может обеспечить средства для диверсификации областей производства ванили и предвидение будущих изменений климата. Создание и распространение растений ванили, более устойчивых к болезням, более урожайных, более богатых ванилином и другими ароматическими соединениями, может улучшить условия жизни мелких производителей в районах производства ванили.

Для обеспечения большей эффективности этих исследований и природоохранных инициатив следует способствовать обмену растительным материалом между коллекциями и исследовательскими программами, особенно путем смягчения правил КБР в соответствии с существующим изъятием в Конвенции СИТЕС.