CC BY
23
КАЧЕСТВО ПЫЛЬЦЫ В СВЯЗИ С ГЕНЕТИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ PICEA ABIES (L.) KARST. В ИНТРОДУКЦИОННОМ НАСАЖДЕНИИ
И В. МАКОГОН; И И. КОРШИКОВ, доктор биологических наук Донецкий ботанический сад НАН Украины, Донецк
Введение
Размеры пыльцевых зёрен - признак видоспецифичный, который характеризуется низким уровнем изменчивости как в кроне одного растения, так и в пределах древостоя [4, 6, 8]. Однако, как и большинство признаков вида, размеры пыльцевых зерен у хвойных растений, произрастающих в разных географических зонах и экологических условиях, могут изменяться. Так, например, в пределах Западной Сибири отмечено увеличение размеров пыльцевых зёрен Pinus sylvestris L. в направлении возрастания влажности воздуха и почвы [8]. Вариабельность формы пыльцевых зёрен обнаружено в разных древостоях P. sylvestris на Урале [6]. Аспекты изменчивости качественно-количественных характеристик пыльцы в пределах одного древостоя в связи с генетическим полиморфизмом растений в научной литературе освещены крайне слабо. А это очень важно знать, так как генетические особенности во многом определяют семенную продуктивность растений [1]. На начальном этапе лесной селекции главным является отбор и изучение деревьев, которые в последующем могут быть использованы для закладки семенной плантации. Это положение справедливо и для перспективных интродуцентов, индивидуальный отбор которых должен проводиться в пределах насаждений района их испытания [7]. При этом в создаваемых семенных плантациях должны присутствовать эффективные доноры пыльцы. Цель исследований - анализ индивидуальной изменчивости качества пыльцы ели европейской (Picea abies (L.) Karst.) в связи с генетическими особенностями растений в первичном интродукционном насаждении Донецкого ботанического сада НАН Украины (ДБС).
Объекты и методы исследования
В 35-летнем насаждении P. abies в дендрарии ДБС на сегодняшний день насчитывается 60 растений со средней высотой 12,6±0,2 м и диаметром ствола 15,3±0,4 см. Морфометрическую изменчивость пыльцевых зерен у 48-ми деревьев этого насаждения изучали в 2003 г. Пыльцу, собранную в период массового созревания микросторобилов (8-13 мая), окрашивали ацетокармином [4]. Используя микроскоп МББ 1 А при увеличении 300 и окулярный винтовой микрометр МОВ - 1-15x, измеряли пять показателей пыльцевых зерен: общую длину пыльцевого зерна, длину и высоту тела, длину и высоту воздушного мешка [8]. Ацетокарминовый метод применяли для оценки фертильности пыльцы [9], а точнее для установления доли морфологически нормальных пыльцевых зерен, часть из которых способна вызвать оплодотворение. Жизнеспособность пыльцы определяли двумя методами: ускоренным методом -окрашиванием [5] и путем проращивания на искусственной среде (1% р-р агар-агара, 20% р-р сахарозы) [2].
Для генетического маркирования растений P. abies применяли изоферменты девяти ферментных систем, которые электрофоретически разделяли в вертикальных пластинках 7,5 %-го полиакриламидного геля [12]. Экстракты для этого анализа получали из гаплоидных тканей эндосперма семян. В качестве молекулярно-генетических маркеров использовали изоферменты глутаматдегидрогеназы, диафоразы, глутаматоксалоацетаттрансаминазы, супероксиддисмутазы, кислой фосфатазы, малатдегидрогеназы, алкогольдегидрогеназы, лейцинаминопептидазы и формиатдегидрогеназы. Генотип дерева определяли по сегрегации аллелей в выборках
не менее 8 гаплоидных эндоспермов. Для анализа исследуемой общей выборки растений и выделенных из неё групп использовали традиционные показатели популяционной генетики [1]. Статистическую обработку морфометрических данных пыльцы и показателей её качества проводили с применением метода сравнения средних Дункана [10].
Результаты и обсуждение
Средние значения морфометрических параметров пыльцевых зёрен у растений ДБС не выходят за пределы тех, что установлены, согласно литературным данным, для P. abies (табл. 1). Коэффициент вариации (CV) для всех морфометрических показателей пыльцы у растений общей выборки ДБС находился в пределах 4-8%, что соответствует низкому уровню изменчивости. Несмотря на это, в изучаемом насаждении были выделены группы деревьев с существенными отличиями в размерах пыльцевых зёрен: с минимальными, средними и максимальными. Для этих групп растений установлены различия не только в размерах пыльцевых зёрен, но и в уровне фертильности и, особенно, жизнеспособности пыльцы (табл. 2). Пыльца у растений с максимальными её размерами обладала наибольшей жизнеспособностью, что существенно выше, чем у выборки деревьев с минимальными размерами пыльцевых зерен. Отметим, что в последнюю выборку вошли три растения с очень низкой жизнеспособностью пыльцы (0; 12,5 и 12,6%), что, по всей видимости, связано с цитоплазматической мужской стерильностью. Жизнеспособность пыльцы у 48-ми растений P. abies в среднем составила 66%. В древостоях природного ареала Беларуси данный показатель был на уровне 67% [11], в Карелии при проращивании на 20%-ном растворе сахарозы - 97%
[3].
Изоферментное маркирование изучаемых растений по 19 локусам девяти ферментных систем позволило для трех выделенных групп деревьев P. abies определить частоты аллелей и генотипов 13 полиморфных локусов. У сравниваемых выборок деревьев не обнаружено достоверных различий в аллельной и генотипической гетерогенностях (х -тест) ни по одному из полиморфных локусов. Наибольшее количество аллелей было установлено в группе растений с максимальными размерами пыльцевых зёрен - 35, из них, встречающихся только в этой группе - 3, в выборке со средними размерами - 34 и 3, с минимальными - 32 и 1 соответственно. Количество генотипов в выборках с минимальными и средними размерами пыльцевых зёрен было 37, с максимальными размерами - 38. По 3 генотипа, встречающихся только в одной группе, было представлено в каждой из них. На основании аллельных частот 19 аллозимных локусов рассчитаны значения основных показателей генетического полиморфизма для трех анализируемых групп растений. Выборка деревьев с максимальным размером пыльцевых зёрен отличалась от двух других более высокими значениями основных параметров генетической изменчивости (табл. 3).
Средняя наблюдаемая гетерозиготность у растений с максимальной жизнеспособностью пыльцы была на 20,8% выше в сравнении с группой растений с минимальными размерами и жизнеспособностью пыльцы. К тому же этой группе деревьев свойствен наибольший недостаток гетерозигот - 9,5%, согласно значению индекса фиксации Райта. Расчеты среднего значения коэффициента Fis показывают, что в целом для насаждения P. abies характерен дефицит гетерозигот в 1,4%. На межвыборочную генетическую изменчивость трех групп деревьев, согласно расчетным значениям коэффициентов FST и GST, приходится 1,3% от всей генетической изменчивости. Генетическая дистанция между тремя группами деревьев P. abies также была очень маленькой - DN = 0,004, что свидетельствует об их низкой генетической дифференциации.
Таблица 1
Морфометрические параметры пыльцевых зёрен Picea abies (L.) Karst, в интродукционном насаждении Донецкого
ботанического сада HAH Украины и природных популяциях (в мкм)
Выборки деревьев Количество деревьев, шт. Общая длина зерна Тело пыльцевого зерна Воздушный мешок
длина высота длина высота
Дендрарии Донецкого ботанического сада HAH Ук »айны
Общая выборка 48 1122±0,б7 43 83.5 ±0,66 5,7 7б,7±0,82 7,7 3б.7±038 7,4 55,8±0,б4 8,2
С минимальными размерами пыльцевых зёрен 19 108.б ±0.50 5,8 80.б±0.4б 73 72.3±0.55 9,7 34.б±033 12,2 51.8±0.47 11,6
Со средними размерами пыльцевых зёрен 14 112.1 ±0.48 за 83.4±0,44 6,5 7б.0±0,41 6,5 3б,8±031 10,2 55.6±0,45 9,5
С максимальными р аз мер амн пыльцевых зёрен 15 117.4 ±0.77 7,2 87.8±0.56 7,0 83.5 ±0.63 83 39.4±0.48 13,0 60.8±0.59 10,7
D 2 36 2,46 2,бб 1,51 2,07
Пр нр однме др ^постои
Южная Карелия [4] 25 112£±0,08б 82£±0,073 67Л±0,072 - -
Предгорья Хибин (150 мнадур. м.) [4] 25 1123±0,08 81 £±0,07 67,8±0,0б - -
Граница прямо ствольных деревьев на склоне Хибинских гор (350-375 мнадур. м.) [4] 25 111Д±0,08 82£±0,0б 69Д±0,07 - -
Примечание. В числителе - среднее арифметическое+ошибка, в знаменателе - СУ, %; - литературные данные не приводятся
Таблица 2
Фертильность и жизнеспособность пыльцы в выборках деревьев Picea abies, отличающихся по морфометрическим параметрам
пыльцы в насаждении Донецкого ботанического сада HAH Украины
Выборки деревьев Показатели Количество деревьев, шт. Фертшьность пыльцы, % Жизнеспособность пыльцы, %
2,3,5-трнфеннл гетр аз о л хлористый агар-агар. 1 % +сахароза, 20 %
С минимальными размерами пыльцевых зерен М=т 19 75,9-2,0 59.6=6.1 59.5=5,7
Lim 64.7-93 Л 0-85 Л 0-82,3
СУ; % 11,3 44,2 41.8
Со средними размерами пыльцевых зёрен М=т 14 80.8±2Л 68.9±4.4 68.0=3.7
Lim 69.6-92,7 30,7-87,7 35,7-84,2
CV; % 9,8 23,7 20.4
С максимальными размерами пыльцевых зерен М=т 15 80,8±1,8 75.4=2.5 73,5=1.9
Lim 65,4-92,1 51 Л-87,3 56,4-84Л
CV; % 8,7 12.8 ЮЛ
DDk 5,8 12.6 13,8
Примечание. М±м - среднее арифметическое±ошибка, Lim - пределы варьирования показателя, CV - коэффициент вариации
Таблица 3
Значения основных показателей генетического полиморфизма в выборках деревьев из интродукционного насаждения Picea abies, отличающихся по _ морфометрическим параметрам пыльцевых зёрен__
Выборки деревьев с разным размером пыльцы Кол-во деревьев, шт. Доля полиморфных локусов, Р99 Среднее число аллелей на локус, А Средняя гетерозиготность Индекс фиксации Райта, F
ожидаемая, НЕ наблюдаемая, Но
Минимальный 19 0,526 1,684 0,126±0,015 0,114±0,015 0,095
Средний 14 0,632 1,789 0,136±0,018 0,143±0,018 -0,05
Максимальный 15 0,579 1,842 0,146±0,018 0,144±0,018 0,014
Общая 48 0,684 2,158 0,137±0,010 0,132±0,010 0,036
Выводы
Таким образом, в пределах интродукционного насаждения Р. abies в ДБС отмечена изменчивость растений по морфометрическим параметрам пыльцевых зёрен. Выделены три группы деревьев с существенными различиями в размерах пыльцевых зёрен, которые к тому же отличались по уровню жизнеспособности пыльцы. Наиболее высокой жизнеспособностью пыльцы (75%) характеризовались растения с максимальными размерами пыльцевых зерен, они же отличались и наибольшим уровнем гетерозиготности. Группа деревьев с минимальными размерами пыльцевых зерен и низкой жизнеспособностью (59,6%) имела повышенную долю гомозиготных генотипов. Для последующего создания новых древостоев Р. abies в Донбассе наиболее перспективна в первичном интродукционном насаждении группа растений с высокой гетерозиготностью и жизнеспособностью пыльцы.
Список литературы
1. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. - 3-е изд. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2003. - 431 с.
2. Кауров И.А., Вакула В.С. К методике определения жизнеспособности пыльцы хвойных пород // Ботан. журн. - 1964. - Т. 49, № 8. - С. 1184-1186.
3. Кищенко И.Т., Тихова М.А. Характеристика пыльцевых зёрен некоторых видов ели в условиях интродукции // Лесоведение. - 1994. - № 2. - С. 36-41.
4. Козубов Г. М. Биология плодоношения хвойных на Севере. - Л.: Наука, 1974. - 133 с.
5. Козубов Г.М. Об ускоренном и надёжном методе определения жизнеспособности пыльцы // Ботан. журн. - 1965. - Т. 50, № 6. - С. 811-813.
6. Мамаев С.А. Морфологическая изменчивость пыльцы сосны Pinus sylvestris L., произрастающей на Урале // Ботан. журн. - 1963. - Т. 48, № 5. - С.680-685.
7. Некрасов В.И. Интродукция древесных растений и проблемы лесоведения // Лесоведение. - 1991. - № 6. - С. 74-83.
8. Некрасова Т.П. Пыльца и пыльцевой режим хвойных Сибири. - Новосибирск: Наука, 1983. - 169 с.
9. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - М.: Колос, 1974. - 288 с.
10. Приседський Ю.Г. Статистична обробка результат бюлопчних експеримешив. - Донецьк: Кассиопея, 1999. - 210 с.
11. Шкутко Н.В. Хвойные Белоруссии. - Минск: Навука i тэхшка, 1991. - 264 с.
12. Davis B.J. Disk electrophoresis. II. Methods and applications to human serum proteins // Ann. N. Y. Acad. Sci. - 1964. - Vol. 121. - P. 67-65.
Рекомендовано к печати д.б.н., проф. Шевченко С.В.
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ И РАННИЙ ЭМБРИОГЕНЕЗ У FUMANA PROCUMBENS
(DUN.) GREN. et GODR.
С.В. ШЕВЧЕНКО, доктор биологических наук; М.А. ГАФАРОВА Никитский ботанический сад - Национальный научный центр
Введение
Семейство Cistaceae (Ладанниковые) - это вечнозеленые или полувечнозеленые кустарники, чаще полукустарники или травы, многолетние, реже однолетние. Для видов этого семейства характерно опушение из простых или железистых волосков, которые выделяют ароматическую смолу - ладан. По данным Н.Н. Имханицкой [3], семейство Cistaceae насчитывает 8 родов и более 200 видов. Многие виды еще в XIX веке введены в культуру и используются как почвопокровные, а некоторые применяются в медицине как тонизирующие или, благодаря ароматичной камеди, в парфюмерии. В Крыму произрастают представители трех родов: Cistus, Helianthemum и Fumanа. Род Fumana представлен тремя видами: F. arabica (L.) Spach, F. thymifolia Spach et Webb и F. procumbens (Dun.) Gren. et Godr.
F. procumbens (фумана лежачая) - европейско-средиземноморско-переднеазиатский вид, естественно произрастает в Средиземноморской области, встречается в степном и горном Крыму [2]. Растение весьма декоративно, поэтому может представлять интерес для введения в культуру и использования в качестве почвопокровного растения или для озеленения каменистых горок. В связи с этим целью наших исследований является выявление особенностей репродукции F. procumbens и возможностей формирования полноценных семян. В данной работе приведены результаты изучения процессов оплодотворения и ранних стадий развития зародыша.
Объекты и методы исследований
Изучение процессов оплодотворения и раннего эмбриогенеза проводили на постоянных препаратах, приготовленных по общепринятым методикам [4, 5]. Для фиксации бутонов разной величины и цветков использовали фиксатор Чемберлена (спирт этиловый 50-70% - 90 частей: формалин 40% - 5 частей: ледяная уксусная кислота - 5 частей). Препараты окрашивали гематоксилином по Гейденгайну с подкраской алциановым синим. Срезы толщиной 8-10 мкм выполняли на ротационном микротоме. Анализ препаратов проводили с помощью микроскопа «Jenamed 2» фирмы Carl Zeiss. Фотоснимки сделаны с помощью цифровой фотокамеры Canon A 550.
Результаты и обсуждение
F. procumbens - это многолетний полукустарник, сильно ветвистый, стелющийся. Растение безрозеточное, с моноподиальным типом нарастания побегов. Цветет практически в течение всего лета, цветки развиваются на побегах II порядка, одиночные, ярко-желтого цвета, 5-членные, с двойным околоцветником (рис.1).
