CC BY
91
М.С. Ямбуров
СТРУКТУРА МУЖСКИХ ПОБЕГОВ И КАЧЕСТВО ПЫЛЬЦЫ «ВЕДЬМИНОЙ МЕТЛЫ» СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ
(PINUS SYLVESTRIS L.)
Аннотация. Проведён сравнительный анализ особенностей роста и структуры побегов мужской сексуализации, а также качества пыльцы ветвей «ведьминой метлы» и нормальной части кроны у сосны обыкновенной.
Ключевые слова: «ведьмина метла», качество пыльцы, структура побега, сосна обыкновенная, Pinus sylvestris.
Очень редко у сосны обыкновенной и других древесных растений формируются так называемые «ведьмины мётлы» (далее ВМ). ВМ представляет собой локальную систему ветвления с аномальным морфогенезом. Стороннему наблюдателю она видится как компактный и очень плотный фрагмент кроны дерева (рис. 1).
Рис. 1. «Ведьмина метла» в кроне сосны обыкновенной
В зависимости от причины возникновения выделяют два типа ВМ: паразитарные и мутационные [1]. Паразитарные ВМ - результат инвазии растения патогенными организмами. В роли патогенов могут выступать грибы, микоплазмы и вирусы [2-4]. Паразитарные ВМ характеризуются очаговым распространением, болезненным видом, гибелью хвои, угнетением репродуктивной функции и общей тенденцией к отмиранию. Яркий пример - поражение пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) ржавчинным грибом Melam-
psorella caryophyllacerum G. Schrot. (=M Cerastii Wint.) [5]. Под действием продуктов метаболизма гриба происходит снятие покоя латентных почек заражённой ветви, вследствие чего формируется ВМ, состоящая из большого числа тонких веточек.
Причина возникновения ВМ второго типа - мутационные изменения в меристеме одной-единственной почки [6], приводящие к нарушению апикального контроля. Поскольку растения являются модульными организмами [7], то вся система побегов, которая образуется из такой почки, будет иметь мутацию. У сосны обыкновенной обильное ветвление мутационных ВМ обеспечивается избыточным заложением боковых почек на весенних побегах и нередко образованием вторых приростов (летних побегов) с мутовкой почек [8]. ВМ мутационного типа отличаются от паразитарных спорадическим распространением, нормальной жизнеспособностью и наличием плодоношения. В них не удаётся обнаружить каких-либо патогенов или следов их жизнедеятельности [9]. Такие мутации относятся к естественным, но у деревьев в природных условиях встречаются крайне редко.
Мутационные ВМ с женским цветением встречаются чаще, чем с мужским. В связи с этим мужская репродуктивная сфера ВМ остаётся почти не изученной. Цель данной статьи - отчасти восполнить этот пробел. В работе представлены результаты исследования структуры побегов мужской сексуа-лизации и качества пыльцы ВМ сосны обыкновенной.
ВМ была обнаружена в средней части кроны (мужском ярусе), на ветви II порядка ветвления. Дерево произрастает в 30 км южнее г. Томска, в окрестностях научного стационара «Кедр» ИМКЭС СО РАН. Для исследования во время пыления с ВМ собирали 8-летние ветви (10 шт.) III порядка ветвления. Для сравнения столько же ветвей собиралось с нормальной части кроны того же дерева (далее НК). Ветви НК брали такого же порядка, что и ВМ, с той же части кроны и экспозиции. У побегов ретроспективно восстанавливали количество и типы закладывавшихся органов. Ограничение исследования только 8-летних ветвей вызвано невозможностью точной идентификации следов органов у 9-летних и старше побегов. На ветвях III и младших порядков ветвления подсчитывали число стерильных катафиллов (чешуй в основании побега), микростробилов (мужских шишек), брахибластов (укороченных побегов, несущих хвою) латентных почек и латеральных ауксибластов (побегов регулярного ветвления). Помимо этого, измерялась общая длина побега, а также его генеративной и вегетативной зон. Размеры микростробилов измерялись под бинокуляром, а пыльцевых зёрен - под микроскопом.
У пыльцы измерялась длина и высота тела зерна и воздушного мешка. Высчитывалась доля нормально развитой пыльцы и аномальной (с морфологическими отклонениями). У аномальной пыльцы определялся процент дегенерировавшей (мелкая и сморщенная пыльца), одноклеточной (без воздушных мешков) и пыльцы с одним воздушным мешком. У нормальной пыльцы (без морфологических нарушений) устанавливали процент фертильной и стерильной. Фертильность определялась по гистохимической реакции запасенного в пыльце крахмала с раствором Люголя [10]. Фертильной считалась пыльца, тело которой заполнено крахмалом полностью или больше чем на
2/3 объёма; стерильной - пустые зёрна и только со следами крахмала. Кроме того, подсчитывались зёрна, заполненные от 1/3 до 2/3 объёма. Корреляции признаков и дисперсионный анализ значимости различий между средними значениями проводили в программном пакете ЗіаІЇБІіеа 6.0.
За 8 лет из боковой почки на побеге II порядка ветвления у ВМ формируется система ветвей, содержащая 5 порядков, у НК - не более 4. Характеристики годичных побегов разных порядков представлены в табл. 1. Побеги ВМ на 35-40% толще НК. По длине побеги III порядка не отличаются от НК, но имеют разное соотношение генеративной и вегетативной зон. У ВМ генеративная зона составляет 1/2, а у НК - 2/3 побега. По общему количеству метамеров (стерильные катафиллы, микростробилы, брахибласты, латентные почки, ауксибласты), закладывающихся на единицу длины побега, ВМ и НК не различаются. Побеги ВМ IV и V порядков длиннее НК на 30 и 17% соответственно за счёт увеличения вегетативной зоны. Ветви НК и ВМ находятся под разной степенью апикального контроля. Побеги IV порядка НК короче предыдущего на 41%, ВМ - на 25%, а следующий порядок у обоих вариантов короче на 34-39%; побеги VI порядка ВМ короче предыдущего на 15% (у НК отсутствуют). В табл. 1 для ВМ и НК приведены средние значения характеристик побегов ГУ-Ш порядков всех годов кроме самого первого (побеги в первый год на ВМ и НК по всем ростовым характеристикам уступают последующим на 35-40%).
Т а б л и ц а 1
Морфологические характеристики побегов разных порядков ветвления ВМ и НК
Признак III IV V VI
НК ВМ НК ВМ НК ВМ ВМ
Диаметр побега, мм 3,1а о ,2 2,3а 3,2б 2,0а о ,7 2, 2,2
Длина побега, мм 31,1а 31,5а 18,3а О б ,5 3, 2 12,2а о б ,3 14, 12,1
Длина генеративной зоны, мм 21,1а 16,7б 12,1а 12,4а 7,8а 8,9а 7,2
Микростробилы, шт. 3, 3 б 5, 2 20,2а 20а 10,3а 10а 7
Длина микростробилов, мм 7,8а 6,0б 6,3а б ,5 5, 5,5а б ,5 4, 4,0
Ауксибласты, шт. 0,7а 1,4б 0,3а 0,9б 0 0,2 0
Примечание. Здесь и далее при разных буквенных индексах признака одного порядка ветвления у НК и ВМ различия статистически значимы (р < 0,05), если индексы одинаковые - статистически значимых различий нет.
Продуктивность побегов (отношение количества микростробилов к длине генеративной части побега) уменьшается с III порядка к V на 20% у НК и на 36% у ВМ. Количество микростробилов на побегах III порядка НК положительно коррелирует с длиной побега и генеративной зоны, а также с количеством брахибластов и отрицательно - с диаметром побега (г = 0,69; 0,57; 0,61 и -0,41 соответственно). С увеличением порядка ветвления корреляция для вышеперечисленных признаков усиливается и на V порядке имеет следующие значения: г = 0,93; 0,87; 0,94 и -0,82.
Побеги III порядка ВМ имеют более слабую корреляцию этих признаков (г = = 0,33; 0,60; 0,32 и -0,37), но к V порядку корреляция усиливается, превосходит НК (г = 0,98; 0,94; 0,53) и становится положительной с диаметром побега (г = 0,36).
Ветвление ВМ в несколько раз превосходит НК. В НК закладывается только по 1 ауксибласту и много побегов вообще без ветвления, а у ВМ большая часть побегов III порядка имеет по 2 ауксибласта и ветвление происходит даже на V порядке, что приводит к формированию более сложной структуры ветвления. По количеству латентных почек ВМ и НК не отличаются и закладывают одну в верхней части побега ниже зоны ауксибластов. Образование побегов из латентных почек у НК и ВМ единично.
В общей сложности за 8 лет на каждой ветви НК заложилось по 671 микростробилу, на ВМ - в 2,8 раза больше - 1939 (отличия достоверны при р < 0,01). У НК 40 и 57% микростробилов образовалось на побегах III и
IV порядков. У ВМ на побегах III порядка образовалось только 9% микростробилов, а основной вклад в мужское цветение вносят побеги IV и V порядков - 44 и 35% соответственно, 11% образовалось на побегах VI порядка. Микростробилы ВМ короче НК на 10-23% по длине и на 6% тоньше по ширине (см. табл. 1).
По морфологическим показателям пыльцы (длина и высота тела зерна и воздушного мешка) достоверных отличий между вариантами не выявлено (табл. 2). Однако в пыльце ВМ в 2 раза больше зёрен с морфологическими отклонениями (23,2%), из них 17,4% - деградированная пыльца (мелкая и сморщенная), 3,6% - пыльца с одним воздушным мешком и 2,2% - одноклеточная пыльца (без воздушных мешков). По содержанию крахмала в нормально развитых зёрнах ВМ и НК отличаются незначительно: у ВМ на 5% меньше неполных зёрен, но чуть больше фертильных и пустых (на 3 и 2% соответственно).
Т а б л и ц а 2
Морфометрические показатели пыльцевого зерна
Вид кроны Тело зерна Воздушный мешок
Длина, мкм Высота, мкм Длина, мкм Высота, мкм
НК 40 СП* 36,3а 27,9а ,3 3, 3
ВМ 45,2а 37,8а 28,5а 34,0а
До сих пор неизвестно, какая мутация и как вызывает нарушение апикального контроля, приводящее к морфологическим изменениям и образованию ВМ у хвойных. Рост и структура побегов хвойных зависят как от внутренних, так и от внешних факторов. Последние в нашем случае не представляют интереса. Возможно, внутренняя причина, вызывающая образование аномальной формы роста, - это нарушения гормонального фона. Ауксин является основным гормоном, определяющим характер роста и структуру побега, а также апикальный контроль и апикальное доминирование. Здесь и далее автор придерживается точки зрения Б. Вильсона о необходимости различать термины «апикальное доминирование» и «апикальный контроль»: под первым понимается доминирование верхушечной почки над боковыми (широко
распространено у травянистых растений, а у древесных существует только в первый год роста побега), под вторым - контроль лидирующим побегом линейного и радиального роста боковых ветвей в последующие годы [11, 12]. У арабидопсиса (Arabidopsis thaliana (Ь.) ЫеупЬ.) описаны мутации генов, отвечающих за синтез и транспорт ауксина и его предшественников, приводящие к карликовости, а также к нарушениям апикального доминирования и морфогенеза (изменение листьев, цветков и корней) [13].
Вполне возможно, что мутация типа ВМ у хвойных имеет такую же природу, но ослабления апикального доминирования не происходит или оно незначительное, а вот апикальный контроль ослабевает. Уменьшение на 3540% ростовых характеристик побегов младших порядков ветвления в первый год (по сравнению со старшим) и увеличение ростовых характеристик в последующие годы говорит в пользу данной гипотезы. Это может быть связано именно с нарушением активного транспорта ауксина: на близких расстояниях его концентрации хватает для осуществления апикального доминирования, но на дальних его уже недостаточно для полноценного апикального контроля. Ослабление апикального контроля побега над осями младших порядков ветвления, по-видимому, позволяет им закладывать больше ауксибластов.
В образующихся новых апексах, являющихся дополнительными акцепторами питательных веществ, индуцируется большая закладка органов ассимиляции - брахибластов, несущих хвою, что увеличивает вегетативную зону побегов ВМ в ущерб генеративной зоне, где недостаток ауксина сказывается на уменьшении размеров микростробилов и приводит к образованию большего процента пыльцевых зёрен с морфологическими отклонениями. Однако гистохимический тест не выявил среди нормально развитых пыльцевых зёрен существенных изменений в накоплении крахмала, что говорит о способности ВМ образовывать фертильную пыльцу.
В литературе много работ посвящено исследованию селекционной ценности ВМ и характеру наследования мутантных признаков у семенного потомства [14-18]. Установлено, что только часть семян ВМ от свободного пыле-ния наследует признаки, характерные для материнской ВМ, остальные же имеют обычные ростовые характеристики. Расщепление сеянцев Б1 в соотношении, близком 1:1, однозначно говорит о доминантном характере мутации. Сеянцы с ВМ и НК по ростовым характеристикам в первый год развития могут различаться или нет. Это зависит от развитости мегастробил и семян материнской ВМ. Если мегастробилы и семена с ВМ и НК не отличаются, то и однолетние сеянцы не отличаются по всхожести и ростовым характеристикам, а ясно видимые различия появляются на второй год [14].
Однако гораздо чаще шишки ВМ мелкие, вытянутые и не полностью раскрывающиеся [19]. Семена также мелкие, с большим процентом пустых [6, 20], в связи с этим снижены всхожесть семян, жизне- и конкурентоспособность сеянцев в первые годы жизни в природных условиях. Поскольку ВМ способны образовывать микростробилы с фертильной пыльцой, можно ожидать появление нормально развитых семян при опылении женских шишек НК пыльцой с ВМ; половина сеянцев будет также иметь мутацию. Повышение частоты встречаемости ВМ, связанное с усилением антропогенной нагрузки [21], может
увеличить пул продуцируемой ими пыльцы, что в свою очередь может являться фактором увеличения количества деревьев с аномальными формами роста в лесах.
Литература
1. Brown C.L., Sommer H.E., Wetzstein H. Morphological and histological differences in development of dwarf mutants of sexual and somatic origin in diverse woody taxa // Trees: structure and function. 1994. № 9. Р. 61-66.
2. Bos L. A witches' broom virus disease of Vaccinium myrtillus in the Netherlands // T. Pl. Ziekten. 1960. Vol. 66. Р. 259-263.
3. Kaminska M., Sliwa H., Rudzinska-Langwald A. Association of Phytoplasma with Stunting, Leaf Necrosis and Witches' Broom Symptoms in Magnolia Plants // J. Phytopathology. 2001. № 149. Р. 719-724
4. Kuz’michev E.P., Sokolova E.S., Kulikova E.G. Common Fungai Diseases of Russian Forests // 2001. Gen. Tech. Rep. NE-279. Newtown Square, Pa: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Northeastern Reseach Station. 137 p.
5. Алексеев В.А. Ржавчинный рак пихты сибирской: Описание заболевания и методические рекомендации по его полевой диагностике и учету. СПб., 1999. 31 с.
6. Fordham A.J. Dwarf conifers from witches-brooms // Arnoldia. 1967. Vol. 27, № 4-5. Р. 29-50.
7. Carles C.C., Fletcher J.C. Shoot apical meristem maintenance: the art of dynamic balance // Trends in Plant Science. 2003. Vol. 8. Р. 394-401.
8. Петренко Е.С. «Ведьмины мётлы» в ленточных борах Казахстана // Ботанический журнал. 1960. Т. 45, вып. 10. С. 1540-1542.
9. Buckland D.C., Kuijt J. Unexplained brooming of Douglas-fir and other conifers in British Columbia and Alberta // Forest Sci. 1957. Vol. 3, № 3. P. 236-242.
10. Третьякова И.Н. Эмбриология хвойных. Новосибирск: Наука, 1990. 157 с.
11. Wilson B.F., Archer R.R. Apical control of branch movement in white pine: biological aspects // Plant physiology. 1981. № 68. Р. 1285-1288.
12. Wilson B.F. Apical control of branch growth and angle in woody plants // American jornal of botany. 2000. Vol. 87, № 5. P. 601-607.
13. Woodward A.W., Bartel B. Auxin: Regulation, Action, and Interaction // Annals of Botany. 2005. № 95. P. 707-735.
14. Носков В.И., Негруцкий С.Ф. К вопросу о происхождении «ведьминых метел» на сосне // Научные записки Воронежского ЛТИ. Воронеж, 1956. Т. 15. С. 207-210.
15. Шульга В.В. О карликовой форме сосны и ведьминой метле // Лесоведение. 1979. № 3. С. 82-86.
16. Ямбуров М.С. Морфогенез семенного потомства «ведьминых метел» кедра сибирского // Материалы докладов XII молодежной конф. «Актуальные проблемы биологии и экологии». Сыктывкар, 2005. С. 184-187.
17. Ямбуров М.С. Использование в селекции естественных мутаций кедра (Pinus sibirica Du Tour) // Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии: Материалы 3-й Всерос. конф. молодых учёных. Томск, 2006. С. 443-446.
18. Yamburov M.S., Goroshkevich S.N. Witches'-brooms in Siberian stone pine as somatic mutations and initial genetic material for breeding of nut-bearing and ornamental cultivars // The breeding and genetic resources of five-needle pines. Romania. Valiug, 2006. P. 26-27.
19.ХировА.А. О «ведьминой метле» на сосне // Бот. журн. 1973. Т. 58, вып. 3. С. 433-436.
20. Самофал С.И. Мутация почек сосны обыкновенной // Научные записки Воронежского ЛТИ. Воронеж, 1940. Т. 6. С. 73-76.
21. Ямбуров М.С. Влияние эмиссии выхлопных газов автотранспорта на образование «ведьминых мётел» мутационного типа у сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) //
V Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды». Томск, 2006. С. 86-88.
