CC BY
100
ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ, СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ
СЕМЕННАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ГИБРИДОВ КЕДРА СИБИРСКОГО И КЕДРОВОГО СТЛАНИКА НА СЕВЕРНОМ МАКРОСКЛОНЕ ХРЕБТА ХАМАР-ДАБАН
Г.В. ВАСИЛЬЕВА, научн. сотр. Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, канд. биол. наук
Виды р. Pirns по-разному проявляют себя в отношении гибридизации. С одной стороны, многие довольно отдаленные виды свободно скрещиваются и образуют фертильные гибриды, с другой стороны, существует много близкородственных пар видов, между которыми существуют непреодолимые барьеры, препятствующие межвидовым скрещиваниям [20]. Кедр сибирский (Pirns sibirica Du Tour) и кедровый стланик (P pumila (Pall.) Regel) отличаются высокой генетической изменчивостью и способностью к гибридизации с другими видами сосен. Кедр сибирский успешно скрещивается с филогенетически близким видом, кедром европейским [15]. При контролируемых скрещиваниях можно получить гибридное потомство кедра сибирского и кедра корейского [16, 23]. Кедровый стланик гибридизирует с сосной мелоцветковой (P. parviflora Sieb. & Zuc.) в Японии [24]. Кроме того, ареал кедрового стланика перекрывается ареалом кедра корейского, и теоретически между этими двумя близкородственными видами также возможна гибридизация с образованием вполне жизнеспособных гибридов [7, 12]. Однако в природе гибридизация между этими видами не наблюдается, в частности, из-за фенологической изоляции [4].
Одна из основных задач в исследовании гибридизации каких-либо видов растений - определить, случайна и спонтанна гибридизация или она имеет определенные эволюционные перспективы. Очевидно, что способность гибридов оставить потомство повышает их шансы оказать влияние на эволюционный процесс. В связи с этим необходимо изучать плодоношение и семенную продуктивность межвидовых гибридов. Естественные гибриды кедра сибирского и кедрового стланика фертильны, их семенная продуктивность была исследована в север-
ном Прибайкалье в дельте Верхней Ангары и в Баргузинском заповеднике [10, 2]. Цель данной работы - провести сравнительный анализ семенной продуктивности гибридов кедра сибирского и кедрового стланика с их родительскими видами, произрастающими на северном макросклоне хребта Хамар-Дабан, а также сравнить полученные данные с ранее опубликованными результатами [19].
Материал для исследований был собран в августе 2011 г. в южном Прибайкалье, северный макросклон хребта Хамар-Дабан (51°29' с. ш. 103°35' в. д., 1728 м над ур. м.). Участок располагался вблизи перевала Чертовы Ворота, около Чертова озера. Исследованные деревья произрастали в небольшом понижении около озера и в некоторой степени были защищены от сильных ветров окружающими горами. В насаждении доминировал кедровый стланик, кедра сибирского было немного меньше. Отличительной особенностью данной смешанной популяции была высокая частота встречаемости гибридов, которые по численности не уступали кедру сибирскому. Гибриды в полевых условиях определялись по комбинации двух признаков. Первый - габитус. У гибридов не было вертикального ствола, как у кедра сибирского, а в комлевой части ствол часто был изогнут. Но гибриды не были стелющимися деревьями, как кедровый стланик. Второй определяющий признак - цвет созревающих шишек. У гибридов шишки фиолетовые, почти такие же, как у кедра сибирского. Такие промежуточные по морфологии гибридные деревья предположительно относятся к первому поколению.
Число исследованных деревьев кедра сибирского, кедрового стланика и гибридов составляло 18, 22 и 35 шт. соответственно.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
85
ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ, СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ
С каждого дерева измерялось по 5-10 шишек. Для анализа структуры шишек измерялась их длина, диаметр, подсчитывалось число фертильных и стерильных чешуй, число развитых (нормального размера) и недоразвитых (явно меньшего размера) семян. Число семяпочек высчитывалось как удвоенное число семенных чешуй в медиальной фертильной зоне шишки. Качество развитых семян определялось рентгенографическим методом. Сравнение полученных данных проводилось с данными семеношения видов и гибридов в 1998 г, опубликованными ранее [19]. Однако все исследованные деревья, как гибриды, так и виды, в 1998 г. и в 2011 г. были разными. Полученные данные обрабатывались методами статистики. В таблицах даны средние значения, в табл. 1 также приведено стандартное отклонение. Чтобы показать различия между выборками, был проведен однофакторный дисперсионный анализ и тест Манна-Уитни. Критический уровень значимости приняли равным 0.05. Если отличий не было, то в таблицах рядом со средними значениями указывали одинаковые буквы. Разные буквы указывают на статистически значимые различия.
Шишки видов и гибридов имеют одинаковую структуру, но отличаются размерами, наиболее крупные шишки характеры для кедра сибирского, самые мелкие для кедрового стланика (табл. 1). Шишки гибридов характеризовались промежуточными размерами в сравнении с шишками родительских видов. Число чешуй в шишках гибридов также было промежуточным относительно родительских видов.
Рассчитанное число семяпочек было максимальным у кедра сибирского, минимальным у кедрового стланика и промежуточ-
Т а б л и ц а 1
Характеристика шишек видов и гибридов
Признак Кедр Г ибриды Стланик
Длина, см 6,6 ± 0,6 a 5,4 ± 0,6 b 3,9 ± 0,4 с
Диаметр, см 5,0 ± 0,4 a 3,6 ± 0,3 b 2,6 ± 0,2 с
Длина/ Диаметр 1,31 ± 0,10 a 1,51 ± 0,12 b 1,49 ± 0,10 b
Число чешуй, шт. 81,3 ± 6,5 a 62,0 ± 15,0 b 40,3 ± 4,4 с
ным у гибридов. Признаки в табл. 2 показывают развитие семяпочки в полноценное семя. Признаки, измеренные в абсолютных единицах (шт.), показывают динамику сохранности семяпочек и семян на каждом этапе развития. Такие признаки чередуются с относительными признаками (%), характеризующими потери репродуктивных структур. В этой же таблице для сравнения приведены данные, полученные в 1998 г. У видов и гибридов неполная семификация была почти одинаковой и составляла примерно пятую часть семяпочек. Доля недоразвитых семян у гибридов была более чем в 2 раза выше, чем у родительских видов. Пустых семян у гибридов также было в 2 раза больше. Это привело к снижению числа семян с эндоспермом у гибридов, и оно было таким же, как у кедрового стланика. На дальнейших этапах развития семени у гибридов продолжают наблюдаться большие потери. Так, у них выше, чем у родительских видов, доля семян с недоразвитым эндоспермом и доля семян без зародыша. Как у видов, так и у гибридов было очень много семян со слаборазвитым зародышем, особенно у кедрового стланика. У этого вида только пятая часть семян с зародышем имела хорошо развитый дифференцированный зародыш. В итоге полноценных семян в шишке было не так много, у кедра сибирского примерно 24, у гибридов - 7, у кедрового стланика - 4. Таким образом, гибриды в исследованном районе характеризовались низкой семенной продуктивностью, только 8,1 % их семяпочек развивались в полноценные семена. Почти половина гибридов имела менее 5 % семян с дифференцированным зародышем (от числа семяпочек), однако немногие отдельные гибридные особи отличались относительно высокой семенной продуктивностью, 20-25 %. Следовательно, крупные особи гибридов, имеющие несколько десятков шишек, могут дать сотни полноценных семян, способных к нормальному прорастанию.
В разные годы исследования наблюдалась одна общая тенденция в семенной продуктивности видов и гибридов. Гибриды характеризовались наименьшей семенной продуктивностью, а из двух родительских
86
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ, СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ
Таблица 2
Динамика развития семяпочки в полноценное семя у кедра сибирского (К), кедрового стланика (С) и их гибридов (Г)
Признак 1998* 2011
К Г С К Г С
Число семяпочек, шт. 68,3 a 57,0 ab 35,9 b 109,3 a 77,0 b 52,0 c
Неполная семификация, % 15,5 a 32,2 b 43,9 b 20,1 a 19,5 a 17,9 a
Число семян, шт. 58,3 a 38,6 b 20,7 c 87,1 a 62,0 b 42,9 c
Доля недоразвитых семян, % 14,6 a 52,0 b 27,9 b 7,2 a 23,0 b 10,9 a
Число развитых семян, шт. 49,5 a 19,6 b 14,1 b 80,7 a 47,9 b 38,7 c
Доля пустых семян, % 3,2 a 24,6 b 5,3 a 13,2 a 22,7 b 7,9 c
Число семян с эндоспермом, шт. 48,0 a 14,9 b 13,5 b 70,0 a 36,9 b 34,9 b
Доля семян с недоразвитым эндоспермом, % 32,3 a 79,2 b 63,0 b 21,0 a 41,0 b 15,9 c
Число семян с развитым эндоспермом, шт. 32,5 a 3,6 b 5,0 b 54,8 a 21,6 b 30,0 c
Доля семян без зародыша, % 0,2 a 48,5 b 5,9 a 19,3 a 30,6 b 23,5 c
Число семян с зародышем, шт. 32,4 a 1,6 b 4,7 c 44,9 a 15,3 b 22,9 c
Доля семян с недифференцированным зародышем, % 5,8 a 35,3 b 17,8 ab 47,4 a 62,6 b 81,6 c
Число семян с дифференцированным зародышем, шт. 30,5 a 1,0 b 3,9 c 23,6 a 6,5 b 4,2 b
Доля семян с дифференцированным зародышем, % от числа семяпочек 44,7 a 1,8 b 10,9 c 21,2 a 8,1 b 8,3 b
Примечание: * по Goroshkevich, 2004.
видов наилучшее качество семян наблюдалось у кедра сибирского. Вместе с тем, были и значительные отличия. Наибольшие потери у видов в 2011 г. наблюдались за счет высокого содержания семян без зародыша и семян с недифференцированным зародышем. Снижение семенной продуктивности у видов в 1998 г. обусловлено главным образом большой долей недоразвитых семян (в 2 раза выше по сравнению с 2011 г.) и семян с недоразвитым эндоспермом. Качество семян кедра сибирского в 2011 г. существенно уступало таковому в 1998 г., тогда как кедровый стланик характеризовался практически одинаковой семенной продуктивностью в оба года исследований. У обоих видов в 2011 г. наблюдалось существенно больше семян без зародыша и семян со слаборазвитым зародышем, чем в 1998 г. Интересно отметить, что у гибридов в 2011 г. наблюдалась относительно хорошая семенная продуктивность в сравнении с 1998 г. за счет меньшего (примерно в 2 раза) содержания недоразвитых семян и семян с недоразвитым эндоспермом.
Известно, что развитие семяпочки в полноценное семя представляет собой сложный и длительный процесс, в ходе которого есть достаточно много критических моментов. Основной фактор, определяющий уро-
жай - опыление [9, 18]. Семяпочки, оставшиеся без пыльцы или имеющие пыльцевые зерна, неспособные к прорастанию, в итоге приведут к потерям из-за неполной семификации. Кроме того, семяпочки, недостаточно развившиеся для того, чтобы быть опыленными, также погибнут, не начав развиваться в семя [22]. Наше исследование показало, что опыление прошло примерно с одинаковым успехом как у видов, так и у гибридов.
Недоразвитые семена представляют собой разросшиеся под действием пыльце-
Кедр Гибриды Стланик
□ Полноценные семена
□ Потери семян после оплодтворения
□ Потери семян в период оплодотворения
[3 Потери, произошедшие между опылением и оплодотворением ■ Неопылившиеся семяпочки Рисунок. Соотношение (%) различных категорий семяпочек у видов и гибридов
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
87
ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ, СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ
вых зерен семяпочки, развитие которых остановилось еще до оплодотворения [1, 8, 9]. Проведенный анализ показал, что данные потери в структуре семенной продуктивности ярко выражены у гибридов.
Следующий важный этап в развитии семени - оплодотворение, которое происходит в течение нескольких часов [22]. После сингамии, уже на стадии образования проэм-брио, начинают накапливаться белки, крахмал, липиды [17, 21]. Остановка развития семени на этом этапе приводит к образованию пустых семян, содержащих ссохшийся остаток абортированного гаметофита.
Чем дальше продвинулось развитие зародыша, тем больше будет накоплено питательных веществ в гаметофите, и в случае гибели последнего в зрелом семени наблюдается недоразвитый эндосперм. Особый интерес представляют семена с нормальным эндоспермом, но без зародыша - такие семена образуются довольно редко, обычно на поздних стадиях эмбриогенеза. Однако такие семена могут сформироваться без оплодотворения, как было показано на аномальных особях кедра сибирского с 1-летним циклом развития женской шишки [17].
Семена, имеющие недифференцированный зародыш, служат примером нарушения взаимодействия зародыша и питающего его эндосперма [9]. Такие семена либо вообще не прорастут, так как факторы, приведшие к недоразвитию зародыша, в конечном итоге приведут к его гибели, либо прорастут гораздо позднее других семян, возможно, и на следующий год, при условии некоторой возможности для зародыша питаться за счет эндосперма.
Таким образом, все потери репродуктивных структур, связанные с развитием семяпочки в полноценное семя, можно разделить на четыре категории в зависимости от времени прерывания развития. Эти категории следующие:
- отсутствие семян, семяпочки остались неопыленными (неполная семификация),
- потери семян, произошедшие между опылением и оплодотворением (недоразвитые семена),
- потери семян в период оплодотворения (пустые семена),
- потери, произошедшие после оплодотворения (семена с недоразвитым эндоспермом, пустым каналом и недифференцированным зародышем).
Анализ различных категорий семяпочек показал, что гибриды отличаются от видов большей (более чем в 2 раза) потерей семяпочек в период от опыления до оплодотворения включительно (рисунок).
Итак, естественные гибриды кедра сибирского и кедрового стланика в большем или меньшем количестве образуют полноценные семена, но вопрос об их реальном участии в процессе естественного возобновления остается открытым. Известно, что для возобновления кедровых сосен большое значение имеет кедровка как основной распространитель семян [3]. Представляют ли интерес гибридные деревья с единичными семенами в шишке в качестве кормового ресурса для кедровки - предмет отдельного исследования. Кроме того, успешность возобновления зависит от степени развития травянистой растительности, конкуренции с другими лесообразующими породами и других биотических факторов [5, 14, 11]. В природе далеко не все семена прорастают, и только единичные всходы доживают до репродуктивного возраста. Например, у ели сибирской в горных условиях доля проростков не превышает 6 % от общего числа жизнеспособных семян [6]. У сосны обыкновенной возраста спелости достигает лишь 0,1 % появившихся сеянцев [13]. Даже при таком развитии событий гибриды имеют потенциальную возможность оставить потомство, следовательно, гибридизация кедра сибирского и кедрового стланика может привести к их интрогрессии. Однако на сегодняшний день описаны только гибриды, предположительно относящиеся к первому поколению. Чтобы подтвердить, имеет ли место интро-грессия этих двух видов, необходимо найти и идентифицировать бэккроссы.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 12-04-31340) и СО РАН (интеграционный проект № 140).
88
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
ЛЕСНЫЕ КУЛЬТУРЫ, СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ
Библиографический список
1. Белостоцкая, С.Х. Особенности развития мужского и женского гаметофитов сосны обыкновенной при внутри- и межвидовой гибридизации / С.Х. Белостоцкая // Лесоведение. - 1979. - № 5. -С. 61-72.
2. Васильева, Г.В. Семеношение и рост потомства гибридов между кедром сибирским и кедровым стлаником в сравнении с родительскими видами / Г.В. Васильева, С.Н. Горошкевич // Хвойные бореальной зоны. - 2012. - Т 30, № 1-2. -С. 28-32.
3. Воробьев, В.Н. Кедровка и ее взаимосвязь с кедром сибирским / В.Н. Воробьев. - Новосибирск: Наука, 1982. - 132 с.
4. Горошкевич, С.Н. Эколого-географическая дифференциация и интеграционные процессы в группе близкородственных видов с трансконтинентальным ареалом (на примере 5-хвойных сосен северной и восточной Азии) / С.Н. Горошкевич, Е.А. Петрова, Д.В. Политов, А.П. Зотикова и др. // Хвойные бореальной зоны. - 2007. - Т. 24, № 2-3.
- С. 167-173.
5. Конев, Г.И. Естественное возобновление на вырубках в кедровниках / Г.И. Конев // Лесн. хоз-во. -1952. - № 6. - С. 57-60.
6. Кошкина, Н.Б. Начальные этапы возобновления древесных видов на верхнем пределе их произрастания в горах Урала : дисс. ... канд. биол. наук / Н.Б. Кошкина. - Екатеринбург: 2008. - 28 с.
7. Крутовский, К.В. Межвидовая генетическая дифференциация кедровых сосен Евразии по изоферментным локусам / К.В. Крутовский, Д.В. По-лиотв, Ю.П. Алтухов // Генетика. - 1990. - Т. 26.
- № 4. - С. 694-707.
8. Кузнецова, Н.Ф. Развитие женского гаметофита сосны обыкновенной при самоопылении и свободном опылении / Н.Ф. Кузнецова // Лесоведение. - 1991. - № 3. - С. 27-33.
9. Некрасова, Т.П. Биологические основы семеноше-ния кедра сибирского / Т.П. Некрасова. - Новосибирск: Наука, 1972. - 276 с.
10. Петрова, Е.А. Семенная продуктивность и генетическая структура популяций в зоне естественной гибридизации кедра сибирского и кедрового стланика / Е.А. Петрова, С.Н. Горошкевич, Д.В. Политов, М.М. Белоконь и др. // Хвойные бореальной зоны. - 2007. - Т. 24. - № 2-3. - С. 329-335.
11. Поликарпов, Н.П. Особенности возобновления кедровых лесов / Н.П. Поликарпов // Кедровые леса Сибири. - Новосибирск: Наука, 1985. -С. 49-60.
12. Потенко, В.В. Полиморфизм изоферментов и филогенетические взаимоотношения хвойных видов Дальнего Востока России: дисс. ... д-ра биол. наук / В.В. Потенко. - Владивосток, 2004. - 38 с.
13. Семириков, Л.Ф. О генетико-селекционном аспекте сохранения и улучшения лесов России / Л.Ф. Семериков, Ю.Н. Исаков, Н.В. Глотов, В.В. Тараканов, В.Л. Семериков // Лесохоз. инф. науч.-техн. информ. сб. М.: ВНИИЦлесресурс. - 1998. - № 910. - С. 3-40.
14. Смирнов, А.В. Возобновление кедра в Восточной Сибири / А.В. Смирнов // Лесн. хоз-во. - 1956.
- № 4. - С. 17-20.
15. Титов, Е.В. Опыт скрещивания кедра сибирского с другими соснами в условиях северо-восточного Алтая / Е.В. Титов // Лесоведение. - 1977. - № 4.
- С. 81-87.
16. Титов, Е.В. Роль биоэкологических факторов при гибридизации кедра сибирского // Селекция и семеноводство хвойных / Е.В. Титов. - Воронеж: ЦНИИЛГиС, 1987. - С. 48-54.
17. Третьякова, И.Н. Эмбриология хвойных: физиологические аспекты / И.Н. Третьякова. - Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1990. - 157 с.
18. Brown, I. R. Flowering and seed production in grafted clones of Scots pine [Текст] / I.R. Brown // Silvae Genetica. - 1971. - V 20, N. 4. - P. 121-132.
19. Goroshkevich, S. N. Natural hybridization between Russian stone pine (Pinus sibirica) and Japanese stone pine (Pinus pumila) [Текст] / S. N. Goroshkevich // Breeding and genetic resources of five-needle pines: growth, adaptability, and pest resistance. Proceedings of the IUFRO Five-Needle Pines Working Party Conference, July 23-27, 2001, Medford, Oregon, USA - 2004. - P. 169-171.
20. Mirov, N. T. The genus Pinus [Текст] /N. T. Mirov
- N.-Y: The Ronald Press Company, 1967. - 602 p.
21. Owens, J. N. The ultrastructural, histochemical and biochemical development of the post-fertilization megagametophyte and the zygotic embryo of Pseudotsuga menziesii (Mifb.) Franco. [Текст] / J. N. Owens, S. J. Morris, S. Misra // Can. J. For. Res.
- 1993. - V. 23. - P. 816-827.
22. Owens, J. N. Whitebark pine (Pinus albicaulis Engelm.) seed production in natural stands [Текст] / J. N. Owens, K. Thanong, M. F. Mahalovich // Forest Ecology and Management. - 2008. - V. 255. - P. 803809.
23. Politov, D. V. Phylogenetics, genogeography and hybridization of five-needle pines in Russia and neighboring countries [Текст] / D. V. Politov, K. V. Krutovskii // Breeding and genetic resources of five-needle pines: growth, adaptability, and pest resistance. Proceedings of the IUFRO Five-Needle Pines Working Party Conference, July 23-27, 2001, Medford, Oregon, USA. - 2004. - P. 85-97.
24. Watano, Y. Spatial distribution of CpDNA and MtDNA haplotypes in a hybrid zone between Pinus pumila and P parviflora var. pentaphylla (Pinaceae) [Текст] / Y. Watano, M. Imazu, T. Shimizu // J. Plant Res. - 1996.
- V 109. - P. 403-408.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
89
