CC BY
25
УДК 581.15 + 582.623 А.А. Афонин
Афонин Алексей Алексеевич родился в 1959 г., окончил в 1981 г. Брянский госу^ дарственный педагогический институт, кандидат сельскохозяйственных наук доцент, старший научный сотрудник Брянского государственного университета Имеет около 30 печатных работ в области саликологии.
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ДЛИНЫ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЗЕРЕН АБОРИГЕННЫХ ВИДОВ ИВ БРЯНСКОГО ЛЕСНОГО МАССИВА
Приведены статистические характеристики изменчивости длины пыльцевых зерен (l) 13 видов ив. Показан упорядоченный характер межвидовой изменчивости l. Обосновано выделение палинометрических групп видов. Доказано, что l не является таксономическим признаком. Выявлен параллелизм в распределении l в разных палинометрических группах. Введено понятие геномного числа ß, обсуждена возможная связь между l и геномными числами видов.
Ключевые слова: ивы, пыльца, изменчивость, хромосомные числа.
На территории Брянского лесного массива (БЛМ) в естественном состоянии произрастает не менее 13 аборигенных видов ив (Salix L.; Salicaceae Mirb.).
Подрод Salix Dumort. - Секция Pentandrae Schneid. (Salicaster Dumort.): S. pentandra L. (пятитычинковая, 2 n = 57, 76). Секция Amygdalinae Koch: S. triandra L. (трехтычинковая, 2n = 38, 44, 88). Секция Salix (Albae) Dumort.: S. fragilis L. (ломкая, 2n = 38, 72, 76), S. alba L. (белая, 2n = 76).
Подрод Vetrix Dumort. - Секция Nigricantes Kerner: S. myrsinifolia Salisb. (мирзинолистная, 2 n = 114). Секция Vetrix Dumort. (Cinerella Ser.): S. caprea L. (козья, 2n = 38, 57, 76), S. cinerea L. (пепельная, 2n = 76), S. aurita L. (ушастая, 2n = 38, 76). Секция Fulvae Barrat.: S. starkeana Willd. (Старке, 2n = 38, 44). Секция Vimen Dumort. (Viminella Ser.): S. viminalis L. (корзиночная, 2n = 38), S. dasyclados Wimm. (шерстистопобеговая, 2n = 38, 76). Секция Daphnella Ser. ex Duby: S. acutifolia Willd. (остролистная, 2 n = 38). Секция Incubaceae Kerner: S. rosmarinifolia L. (розмаринолистная, 2 n = 38).
В пределах БЛМ большинство перечисленных видов представлено различными таксонами видового ранга: разновидностями, формами, гибридами. Некоторые виды ив - S. myrtilloides L. (черниковидная, 2n = 38; подрод Chamaetia), S. lapponum L. (лапландская, 2 n = 38, 76; подрод Vetrix) -встречаются спорадически. Не исключено нахождение S. phylicifolia L. (филиколистной), S. vinogradovii Skvorts. (Виноградова). Ряд видов и таксонов видового ранга встречается в культуре, например S. purpurea L. (пурпурная) [1].
Столь высокий уровень биологического разнообразия в пределах одного рода древесных растений позволяет предположить и высокий уровень изменчивости пыльцы. Известно [4], что пыльцевые зерна (ПЗ) ив зоноапер-турного типа (трехкольпатные или трехкольпоратные), продолговато-эллипсоидальные, в полярном положении трехлопастные, в экваториальном - эллиптические. Экзина у видов подрода Salix характеризуется простой равноячеистой сетчатой скульптурой, ее толщина 1,0 ... 1,7 мкм, у видов подродов Vetrix и Chamaetia она разноячеисто-сетчатая толщиной 0,8 ...
1,2 мкм. Длина полярной оси ПЗ (l) 18 ... 38 мкм. Высокая вариабельность l у видов Vetrix и Chamaetia связывалась с внутривидовой полиплоидией. У S. cinerea обнаруживались гигантские ПЗ (примерно на 30 % длиннее нормальных).
Ранее мы предпринимали попытки использовать палинометрический анализ для установления связи между размерами ПЗ и числом хромосом в соматических клетках апикальных меристем корней [2]. Известно, что хромосомы ив мелкие (0,5 ... 1,7 мкм), округлые или слабоовальные [3, 8, 9, 11, 12]. До сих пор обсуждается вопрос о числе хромосом у ив; в качестве основного числа обычно принимается х = 19; реже допускается существование 22-хромосомных серий (х = 11, 22 и даже 44), которые связываются с хромосомными перестройками [3, 11, 12]. Мы отмечали проблемы геномного анализа, возникающие при классификации структур, образующихся в процессе мейотической конъюгации хромосом (биваленты, униваленты, триваленты, трирадиалы, мультиваленты) [7]. Проблемы полиплоидизации, межвидовой гибридизации и их роли в эволюции ив остаются открытыми [8, 10-12]. Нужно отметить, что при изучении хромосомного аппарата ив использовались лишь традиционные методы цитоанализа [3, 9, 12]. В литературе мы не обнаружили ссылок на использование окраски по Фельгену с последующей цитофотометрией, дифференциальной окраски, применения ультрафиолетовой, флуоресцентной и электронной микроскопии, биохимических методов (например изоферментного анализа) и биотехнологий высокого уровня. Экспериментально полученные автополиплоиды ив нам также неизвестны.
Затруднения в прямом подсчете числа хромосом в делящихся клетках ив заставляют искать косвенные пути решения проблемы, например, понятие «число хромосом» подменить понятием «объем хроматина» (Q). Тогда вместо подсчета хромосом можно рассчитать относительное содержание хроматина в ПЗ - стабильных гаплоидных структурах.
К настоящему времени нами накоплен достаточный объем материала по изменчивости l, что позволяет сравнить разные виды ив по общей изменчивости данного параметра. Пыльцу собирали в течение 1995-2003 гг. с 13 массовых видов ив БЛМ, перечисленных в начале статьи. Для обозначения видов использовали символы: pe - пятитычинковая, tr - трехтычинко-вая, fr - ломкая, al - белая, my - мирзинолистная, ca - козья, ci - пепельная, au - ушастая, st - Старке, vi - корзиночная, da - шерстистопобеговая, ac -остролистная, ro - розмаринолистная. Сбор материала осуществляли в период массового цветения каждого вида, в границах (контурах) однородных в
эдафо-фитоценотическом отношении естественных насаждений ив на территории БЛМ. Пыльцу каждого вида собирали в тех насаждениях, где данный вид безусловно доминировал над другими и характеризовался высоким виталитетом. Было заложено 16 пробных участков; для видов ca, da выборки были продублированы. Объем выборок определялся количеством тычиночных особей с типичными видовыми признаками, без видимых повреждений, интенсивно цветущих. Проанализировано 10 174 ПЗ с 245 особей.
С каждой тычиночной особи отбирали не менее 5 сережек с разных побегов в полном цвету. Образцы хранили в холодильнике не более суток. Непосредственно перед анализом смесь пыльцы из всех сережек, собранных с одной особи, без предобработки наносили на предметное стекло. Полученные временные препараты немедленно просматривали под микроскопом «Биолам Р-14» с общим увеличением ><900. У зрелых ПЗ с типичной морфологией измеряли l с помощью окуляр-микрометра (точность ±0,8 мкм).
Все ПЗ с одной особи рассматривали как внутрикронную выборку; в дальнейшем внутрикронные выборки одного вида объединяли в видовые -одну (для большинства видов) или две (для ca, da). Для каждой видовой выборки вычисляли общепринятые статистические показатели [5]: средние арифметические значения / для каждого вида (/ ср, или М, мкм), статистические ошибки (± т), дисперсии (а2), стандартные отклонения (а), коэффициенты вариации (С, %) и относительные статистические ошибки (Р, %). Вычисляли коэффициент корреляции (г) между /ср и а2. Для каждой выборки рассчитывали пределы изменчивости l при разных уровнях значимости р [1, 5]. При попарном сравнении /ср использовали 1>критерий Стьюдента, а при сравнении с2 - Б-критерий Фишера. Различия по / ср и а2 между продублированными выборками ^ и ca были статистически недостоверны (р > 0,05), поэтому продублированные выборки объединяли в общие видовые. Межвыборочные различия между продублированными выборками da оказались достоверными (р < 0,05), поэтому выборки этого вида анализировали раздельно (da1 и da2). Для визуального анализа внутривидовой и межвидовой изменчивости l использовали полигоны распределения (вариационные кривые), при построении которых для каждой варианты вычисляли средние межиндивидуальные относительные частоты во всей выборке.
ISSN 0536 - 1036. ИВУЗ. «Лесной журнал». 2006. № 5
26
Таблица 1
Внутривидовая изменчивость длины пыльцевых зерен_
Названия видов Основные стат Пределы изменчивости длины ПЗ
истческие показа!ели lim 0,50 lim 0,95
N Nn n ср M, мкм ± m 2 о о C,% P,% М - 0,675о М +0,675о М - 1,96о М + 1,96о
pe 7 210 30,0 29,43 0,108 2,436 1,561 5,3 0,4 28,38 30,48 26,37 32,49
tr 34 1540 45,3 26,93 0,040 2,414 1,554 5,8 0,2 25,88 27,98 23,88 29,98
fr 10 275 27,5 29,24 0,099 2,678 1,636 5,6 0,3 28,14 30,34 26,03 32,45
al 12 355 29,6 29,99 0,081 2,354 1,534 5,1 0,3 28,95 31,03 26,98 33,00
my 15 803 53,5 31,70 0,083 5,560 2,358 7,4 0,3 30,11 33,29 27,08 36,32
ca 38 1791 47,1 28,32 0,038 2,557 1,599 5,6 0,1 27,24 29,40 25,19 31,45
ci 24 1140 47,5 31,29 0,058 3,796 1,948 6,2 0,2 29,98 32,60 27,47 35,11
au 16 824 51,5 25,29 0,088 6,318 2,514 9,9 0,3 23,59 26,99 20,36 30,22
st 18 240 30,0 27,27 0,100 2,388 1,545 5,7 0,4 26,23 28,31 24,24 30,30
vi 6 231 38,5 29,00 0,120 3,302 1,817 6,3 0,4 27,77 30,23 25,44 32,56
dal 8 350 43,8 34,13 0,103 3,688 1,920 5,6 0,3 32,83 35,43 30,37 37,89
da2 7 353 50,4 32,10 0,101 3,567 1,889 5,9 0,3 30,82 33,38 28,40 35,80
ac 35 1612 48,9 28,20 0,046 3,458 1,860 6,6 0,2 26,94 29,46 24,55 31,85
ro 15 450 30,0 28,21 0,078 2,743 1,656 5,9 0,3 27,10 29,30 25,00 31,50
Среднее 17,5 726,7 41,0 29,36 0,082 3,376 1,814 6,2 0,3 - - - -
Всего 245 10174 - - - - - - - - - - -
Пределы - - - - - - - - - 23,6 35,4 20,4 37,9
Примечание. Виды расположены согласно системе рода Salix. N - количество особей; Nn - общее количество пыльцевых зерен; n ср - среднее количество пыльцевых зерен в образце; М - средняя длина пыльцевых зерен; ± m - статистическая ошибка; о2 - дисперсия; о - стандартное отклонение; С - коэффициент вариации; Р - относительная статистическая ошибка; lim 0,50 = М ± 0,675 о и lim 0,95 = М ± 1,96о - расчетные пределы изменчивости l при р = 0,50 и при р = 0,95.
Рис. 1. Распределения длины ПЗ во всех выборках
Результаты статистической обработки представлены в табл. 1. У всех изученных видов l характеризуется низкой вариабельностью (С ср =6,2%, от 5,1 % у al до 9,9 % у au). Низкие значения относительной статистической ошибки (Р < 0,4 %) указывают на высокую разрешающую способность проводимого палинометрического анализа. Полигоны внутривыборочных распределений l представлены на рис. 1. Во всех выборках характер распределения l близок к нормальному. Однако из-за различия в дисперсиях полигоны различаются по общей конфигурации, поскольку чем выше значение / ср, тем больше и с2 (табл. 1): если исключить an, то г (/ср: ст2) = 0.615.
Совместный анализ табл. 1 и рис. 1 позволяет утверждать, что межвыборочные различия по /ср и а2 носят упорядоченный характер. Учитывая абсолютные значения / ср и ст2, достоверность и недостоверность межвыборочных различий по t- и F-критериям (р = 0,05), таксономические и эдафо-фитоценотические характеристики видов, мы выделили следующие палино-метрические группы: an - один вид с минимальнои /ср и высокой ст ; st - один вид подрода Vetrix с низкими / ср и а2; [са, ас, го] - облигатные или факультативные псаммофиты из подрода Vetrix с умеренными / ср и ст2; [ту, ci] - виды из подрода Vetrix, избегающие незадернованных песков, с высокими / ср ист2; tr - один вид, сходный по изменчивости ПЗ с st, но принадлежащий к подроду Salix', [ре, fr, al] - ивы подрода Salix с близкими /ср ист2; vi - один вид, занимающий промежуточное положение между видами са, ас, го и ре, fr, al по величине / ср ист2: da 1 и dal - первая и вторая выборки da. Выделение групп vi, dal и dal основано на принадлежности vi и da к одной секции Vi тел', однако все три выборки различаются по /сри ст2.
Для палинометрических групп [ca, ac, ro], [ci, my] и [pe, fr, al] были пересчитаны средние относительные частоты вариант и вновь построены полигоны распределения l. Большинство распределений показано на рис. 2.
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
Длина пыльцевых зерен, мкм Рис. 2. Распределения длины ПЗ в группах аи, [са, ас, го], [ту, а],
1г, [ре, /г, а1]
24 26 28 30 32 34 36 38 40 Длина пыльцевых зерен, мкм
Рис. 3. Распределения длины ПЗ видов секции У1теп на фоне
распределений длины ПЗ в группах [са, ас, го] и [ту, а]
Распределения ! для видов секции Утеп (VI, ёа\, йаТ) приведены на рис. 3; в качестве фона использованы распределения в группах [са, ас, го] и [с/, ту].
Анализ распределений (см. рис. 2) позволяет утверждать, что ! не является таксономическим признаком у ив. Виды одной секции УеМх (аи, са, с/) входят в состав разных палинометрических групп, а одна группа может включать представителей разных секций ([са, ас, го], [с/, ту] и [ре, /г, а!]). Наблюдается заметный параллелизм в изменчивости ! в разных таксонах. Например, распределения ! у видов № и st практически совпадают, а последовательность полигонов ^ - [ре, /г, а!] параллельна последовательности st -[са, ас, го] - [ту, с/]. В то же время полигон распределения ! у аи резко отличается от всех остальных: минимальное значение / ср сочетается с высокой ст2. Распределение ! в группе da2 (рис. 3) практически совпадает с распределением в группе [ту, с/]. Однако распределение в группе V/ заметно (хотя и
статистически недостоверно) смещено вправо по отношению к распределению в группе [ca, ac, ro], что указывает на особое положение секции Vimen в системе подрода Vetrix.
Для дальнейшего анализа все множество отдельных выборок и выделенных палинометрических групп мы разбили на три палинометрические серии: серия 1 - подрод Vetrix без секции Vimen - au, st, ac, ro, ca, [ca, ac, ro], ci, my, [ci, my]; серия 2 - секция Vimen - vi, dal, da2; серия 3 - подрод Salix - tr, pe, fr, al, [pe, fr, al]. Упорядоченный характер изменения l в разных сериях позволяет предположить, что этот признак контролируется некоторым стабильным дискретным фактором, например числом хромосом. Мы предлагаем описывать взаимосвязь между относительным объемом хроматина и относительной длиной ПЗ с помощью эмпирического уравнения регрессии
Q tj = k (lt / lj У,
где Q ij - относительное содержание хроматина у вида (группы) i по сравнению с видом (группой) j;
l i / lj - относительная длина ПЗ у вида (группы) i по сравнению с видом (группой) j; k - эмпирический коэффициент.
На основании предложенного уравнения была составлена матрица отношений li / lj и (li / lj)3 в палинометрических сериях (табл. 2). Над диагональю (единицы) даны значения l i / l j , под диагональю - значения (li / lj )3. Для перевода показателя (li / lj )3 в единицы относительного содержания хроматина Q ij данные первого столбца матрицы отношений умножали на коэффициент k, который подбирали так, чтобы получить минимальные целые значения Q.
Сопоставление данных табл. 1, 2 и рис. 2, 3 позволяет предположить, что упорядоченный характер межвидовой (межгрупповой) изменчивости ПЗ ив связан с феноменом полиплоидии, т. е. содержанием в гаплоидных клетках двух и более геномов - одинаковых (гомологичных), сходных (гомеоло-гичных) или различных. При этом геном мы рассматриваем как минимальный объем хроматина в клетках. В большинстве случаев (кроме st) изменение относительного содержания хроматина в гаплоидных клетках ПЗ ив может быть описано рядом целых чисел Q(2, 3, 4, 5), которые мы предлагаем назвать геномными числами. Соответственно уровень плоидности в соматических клетках изменяется от 4 х до 10 х, например, au должна рассматриваться как тетраплоид (Q = 2 , 2 n = 4 x), tr - как гексаплоид (Q = 3 ,
2 n = 6 x), а ci - как октоплоид (Q = 4 , 2 n = 8 x). Тогда современные основные числа ив (х = 19 и х = 22) следует расценивать как суммы элементарных хромосомных чисел, которые сложились в результате авто- или аллополиплои-дизации и эволюционных преобразований элементарных геномов, что не противоречит литературным данным [6, 10].
В то же время вид st характеризуется дробным числом геномов (Q«2,6). Данный феномен можно объяснить различными способами.
0536 - 1036. ИВУЗ. «Лесной журнал». 2006. № 5
26
Таблица 2
Изменчивость относительных размеров ПЗ и ее возможная связь с относительным содержанием хроматина
Подрод Vetrix без секции Vimen: k = 2,1
M, мкм и (т) и (о) Виды аи st ас го са са, ас, го а ту ту, а
25,29 2,10 2 au 1 1,078 1,115 1,115 1,120 1,117 1,237 1,253 1,246
27,27 2,63 3 (?) st 1,254 1 1,034 1,034 1,039 1,036 1,147 1,162 1,155
28,20 2,91 3 ac 1,386 1,106 1 1,000 1,004 1,001 1,110 1,124 1,117
28,21 2,91 3 го 1,388 1,107 1,001 1 1,004 1,001 1,109 1,124 1,117
28,32 2,95 3 ca 1,404 1,120 1,013 1,012 1 1,003 1,105 1,119 1,112
28,24 2,92 3 ca, ac, го 1,392 1,111 1,004 1,003 1,009 1 1,108 1,123 1,115
31,29 3,98 4 а 1,894 1,511 1,366 1,365 1,349 1,360 1 1,013 1,007
31,70 4,14 4 my 1,969 1,571 1,420 1,419 1,402 1,414 1,040 1 1,006
31,50 4,06 4 ту, а 1,932 1,541 1,394 1,392 1,376 1,388 1,020 1,019 1
Секция Vimen: k = 3,0
M, мкм и (т) и (о) Виды vi йа1 йа2
29,00 3,00 3 vi 1 1,106 1,177
32,06 4,05 4 йа1 1,351 1 1,065
34,13 4,89 5 йа2 1,630 1,206 1
Подрод БаИх: k = 3,0
M, мкм и (т) и (о) Виды п- ре /г а1 ре, /Г, а1
26,93 3,00 3 п- 1 1,093 1,086 1,114 1,097
29,43 3,92 4 ре 1,305 1 1,006 1,019 1,004
29,24 3,84 4 /г 1,280 1,020 1 1,026 1,011
29,99 4,14 4 а1 1,381 1,058 1,079 1 1,015
29,55 3,96 4 ре,/г, а1 1,321 1,012 1,032 1,045 1
Примечание. и (т) - значения и с точностью до второго знака; и (о) - округленные (целые) значения
Виды - отдельные выборки и палинометрические группы. Полужирным шрифтом выделены реперные отношения.
и
Во-первых, связь между l и Q в ПЗ st может не подчиняться предложенному нами уравнению регрессии. Такое исключение может быть обусловлено давлением отбора; тогда сходство в изменчивости l у st и tr - результат обычной конвергенции. Во-вторых, st могла просто утратить часть хроматина, который для этого вида оказался избыточным. И, наконец, можно предположить, что все значения Q нужно умножить примерно на 2, тогда мы получаем совершенно фантастические уровни плоидности в соматических клетках ив: 8 x, 10 x (st), 12 x, 16 x, 20 x.
Выборки dal и da2 характеризуется различными lср в разных цено-популяциях. Как и в предыдущем случае, нельзя исключить прямое влияние эдафофитоценотических факторов, в результате которого происходит изменение l ср при постоянном Q. Оно возможно также с изменением Q в ходе отбора; в данном случае геномные числа вида оказываются в прямой зависимости от условий обитания. Тогда можно предположить существование у этого вида двух геномных (хромосомных) рас: с Q = 4 (2 n = 8 x) и Q = 5 (2 n =10 x). И, наконец, можно предположить, что под названием S. dasycla-dos скрываются два разных таксона видового ранга, приуроченных к разным местообитаниям: например, ряд (series) из двух викарирующих видов-близнецов или «чистый вид» и фенотипически сходный гибрид (криптогиб-рид).
Автор выражает глубокую благодарность доктору биологических наук, профессору, академику РАЕН, заведующему кафедрой дендрологии, селекции и озеленения БГИТА Е.Н. Самошкину за конструктивные замечания, обсуждение основных положений статьи и помощь в ее оформлении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афонин, А.А. Ивы Брянского лесного массива [Текст] / А.А. Афонин. -Брянск: Изд-во БГУ, 2003. - 237 с.
2. Афонин, А.А. Зависимость размеров пыльцевых зерен ив трехтычинковой и пепельной от числа хромосом в клетках [Текст] / А.А. Афонин, Е.Н. Самошкин // Лесн. журн. - 1999. - № 4. - С. 35-40. - (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Кричфалушт, В.В. Хромосомш числа представнишв в роду Salix [Текст] /
B.В. Кричфалушш, Л.В. Голшкин // Укр. бот. журн. - 1985. - № 2. - С. 33-34.
4. Куприянова, Л.А. Сем. Salicaceae Mirbel - Ивовые [Текст] / Л. А. Куприянова, Л.А. Алешина // Пыльца двудольных растений европейской части СССР. - Л.: Наука, 1978. - С. 119-122.
5. Лакин, Г.Ф. Биометрия [Текст] / Г.Ф. Лакин. - М.: Высш. шк., 1980. -
293 с.
6. Левитский, Г.А. Материальные основы наследственности [Текст] / Г.А. Левитский // Цитогенетика растений. - М.: Наука, 1978. - С. 10-208.
7. Самошкин, Е.Н. Особый тип мейоза у ивы трехтычинковой и необходимость его учета в селекционной работе [Текст] / Е.Н. Самошкин, А.А. Афонин // Генетика и селекция - на службе лесу: тез. докл. - Воронеж: Изд-во ВЛТА, 1996. -
C. 18-19.
8. Скворцов, А.К. Ивы СССР [Текст] / А.К. Скворцов. - М.: Наука, 1968. -
262 с.
9. Федорова-Саркисова, О.В. О числе хромосом некоторых видов ив и тополей [Текст] / О.В. Федорова-Саркисова // Докл. АН СССР. - 1946. - № 4. -С. 357-360.
10. Чуксанова, Н.А. Эволюция кариотипов растений [Текст] / Н.А. Чуксано-ва // Успехи современной генетики. - М.: Наука, 1974. - Вып. 5. - С. 200-209.
11. Chmelar, J. Die Weiden Europas [Text] / J. Chmelar, W. Meusel. - Wittenberg-Lutherstadt, 1976. - 143 p.
12. Hâkansson, A. Chromosome Numbers and Meiosis in certain Salices [Text] / A. Hâkansson // Heriditas. - 1955. - Bd. 41, N 3-4. - P. 454-482.
Брянский государственный университет
Поступила 16.01.04
A.A. Afonin
Variability of Pollen-grains Length for Native Species of Willows in Bryansk Woodland
The statistics of pollen-grains length variability (l) for 13 willow types are provided. The well-ordered character of interspecies variability l is shown. The separation of palinometric groups of species is substantiated. L is proved not to be a taxonomic characteristic. The concurrency in l distribution in different palinometric groups is revealed. The concept of genomic number Q is introduced; possible relation between l and genomic numbers of species is discussed.
