CC BY
68
ЦИТОЛОГИЯ И ГЕНЕТИКА
УДК 576. 312. 36+581.9
Л.А. Малахова, В.П. Амельченко, Т.Н. Катаева
ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКИХ РАСТЕНИЙ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ В СибБС - МЕТОДИЧЕСКАЯ ОСНОВА СОХРАНЕНИЯ ИХ БИОРАЗНООБРАЗИЯ
Аннотация. Подведены итоги цитогенетического изучения редких видов растений Томской области за 30-летний период в культуре и природных популяциях.
Обобщены данные современной литературы по числам хромосом.
Ключевые слова: редкие виды, Томская область, хромосомы.
В Сибирском ботаническом саду Томского госуниверситета (СибБС ТГУ) изучение редких и исчезающих растений Томской области проводится с 1970-х гг. Начиная с 1980-го г. и по настоящее время углубленно разрабатываются научные проблемы сохранения и воспроизводства редких и исчезающих растений в культуре и природной обстановке не только традиционными способами. Впервые в системе ботанических садов России применен популяционно-цитогенетический метод, позволяющий познать генотипические механизмы адаптации видов, а также пути их эволюционных преобразований при изменениях окружающей среды. Исследования проводятся на базе оригинальных научных экспозиций, включающих более 120 видов из 80 родов и 35 семейств. Кариологические исследования природных популяций проведены для 82 видов, выявлены особенности их кариотипической структуры в периферийных популяциях. Создана уникальная для садов России экспозиция внутривидовых хромосомных форм лука-слизуна, на базе которой изучаются механизмы адаптационной изменчивости полиморфных видов в условиях интродукции. Исследование проведено при поддержке гранта РФФИ № 43-10-3 в 1993-1995 гг.
Объектами исследования являются редкие виды растений, вошедшие в Красную книгу Томской области [1]. Материал для исследования взят из природных популяций Томской области, а также получен из различных ботанических садов России и других стран. Число хромосом определялось в меристеме корней вегетирующих растений и проростков семян по общепринятым цитологическим методикам [3].
Анализ числа хромосом у редких видов растений Томской области
В настоящее время числа хромосом известны у 70 из 76 видов покрытосеменных растений, включенных в Красную книгу Томской области [3-6, 9, 13, 14]. В их число вошли 38 видов, которые изучены нами непосредственно в природных популяциях Томской области и у интродуцентов, выращиваемых на экспериментальном участке СибБС (табл. 1).
№ n/n Название вида Статус редкости Числа хромосом Литературные источники Числа хромосом по данным Л.А. Малаховой и др.
1 2 3 4 5 6
1 Achnatherum sibiricum (L.) Keng ex Tzvelev 3LC 24 Sokolovskaya and Probatova, 1978,1 980; Rudyka, 1990 -
2 Alfredia cernua (L.) Cass. 3LC 26 Rostovtseva, 1979a, 1983 26
3 Allium ledebourianum Schultes et Schultes 3LC 16 Vosa, 1977; Gritsenko and Gurzenkov, 1983; Friesen, 1986, 1988, 1997; Nanuscyan and Polyakov, 1989; Zakirova and Nafanailova, 1992 32
4 Allium lineare L. 3VU 32 16 16, 32 Kartashova et al., 1974 Vakhtina and Kudrjaschova, 1980; Krasnikov et al., 1983,1984; Friesen et al.,1988; Zakirova and Nafanailova, 1992; Ohri and Pistrick, 2001 Krasnikov, 1984, 1985a 32, 48
5 Allium nutans L. 3NT 32 24 32, 48, 64, 72 Friesen, 1986, 1988, 1991; Krasnikov and Lomonosova, 1990; Ohri and Pistrick, 2001 Zakirova and Nafanailova, 1988 Shang et al., 1997 32-72 (32, 36, 38, 39, 40, 48)
6 Allium obliquum L. 2EN 16 32 Vosa, 1977; Friesen, 1986, 1988; Ohri and Pistrick, 2001 Jacobsen and Owubey, 1977 16, 32
7 Allium schoenoprasum L. 3VU 16 Vosa, 1977; Yurtsev and Zhukova, 1978; Sopova, 1972; Murin, 1978, 1984; Rostovtseva, 1977; Krogulevich, 1971, 1976; Hindakova, 1976; Gohil and Kaul, 1981a; Pandita, 1979; Bougourd and Parker, 1976; Zhukova, 1980; Mehra and Pandita, 1979, 1981; Love and Love, 1980b, 1981c; Dawe and Murray, 1979, 1980; Pogosian, 1983; Gritsenko and Gurzenkov, 1983; Speta, 1984; Wittmann, 1984; Friesen, 1985, 1991, 1997; Krasnikov, 1984, 1985a; Rudyka, 1986; Ozhatay, 1986a, 1993; Lavrenko and Serditov, 1987; Lavrenko et al., 1989, 1991; Nishikawa et al., 1986; Zakirova and Nafanailova, 1990; Tardif and Morisset, 1991; Ohi, 1990; Wetschnig, 1992; Montgomery et al., 1997; Inada and Eudo, 1999;Lovkvist and Hultgard, 1999; Ohri and Pistrick, 2001 16,16+1-2B, 32
1 2 3 4 5 6
16, 24 16, 32 16+4B 32 16+0-18B 16,16+1-2B 16+0-10B 16+2-10B,16 14 24 16+0-9B 16+2B 48 Kurosawa, 1979 El-Gadi and Elkington, 1977; Friesen, 1986, 1988; Nanuscyan and Polyakov, 1989 El-Gadi and Elkington, 1977 Fernandes Gasas and Machin Santamaria, 1978; Paster, 1982 Bongourd and Parker, 1975, 1979, 1979a Halkka, 1985 Chinnappa and Basappa, 1986 Cai and Chinnappa, 1987 Ohi, 1990 Inada, 1991 Tardif and Morisset, 1992 Pogosian, 1990 Pogosian, 1997
8 Aquilegia sibirica Lam. 2EN 14 Rostovtseva, 1977, 1981, 1984; Vassiljeva, 1990; Friesen, 1991a 14
9 Artemisia gmelinii Web. ex Stechm. 3LC 54 36 18 Volkova and Boyko, 1985; Stepanov and Muratova, 1992; Probatova et al., 1997, 1998 Rudyka, 1990; Yan et al., 1989; Qiao et al., 1990; Probatova et al., 2001 Khatoon and Ali, 1993; Hoshi et al., 2003 18, 54
10 Artemisia laciniata Willd. 3LC 18 56, 60 54 Rostovtseva, 1979a; Volkova and Boyko, 1985; Krogulevich, 1978; Kaul and Bakshi, 1984; Nishikawa, 1990; Wendelberger, 1960 Krasnikov et al., 1983, 1984 Zhukova and Petrovsky, 1987a; Wendelberger, 1960 18
11 Artemisia latifolia Ledeb. 3NT 54 Wendelberger, 1960 54, 72
12 Artemisia macrantha Ledeb. 3NT - Нет публикаций 108
13 Artemisia tanacetifolia L.. 2NT - Нет публикаций 54
1 2 3 4 5 6
14 Bistorta vivipara (L.) S.F.Gray. 2EN 96 98 80 66, 88, 99 около 100 120 88 около 12 Murin, 1976; Love and Love, 1988 Rostovtseva, 1977 Zhukova et al., 1977a Engel, 1978 Zhukova and Petrovsky, 1976; Dawe and Murray, 1979; Murin et al., 1980; Yurtsev and Zhukova, 1982 Love and Love, 1982 Zhukova, 1982 Huang,R.-f. et al, 1996a -
15 Brunnera sibirica Stev. 2EN 14 12, 24, 36 Stepanov and Muratova, 1995 Stepanov, 1994a 72
16 Campanula rapunculoides L. 2EN 102 68 Ancev, 1976a; Hindakova, 1974; Murin, 1974; Wcislo, 1983; Laane and Lie, 1985; Albers and Mobsting, 1998; Lovkvist and Hultgard, 1999 Ancev, 1978; Van Loon and Kieft, 1980; Wcislo, 1983 102
19 Dasystephana cruciata (L.) Adanson 52 Hommel and Wieffering, 1979; Semerenko, 1985b; Druskovic and Lovka, 1995 -
20 Dasystephana macrophylla (Pallas.) Luev. 3LC 24 26 26, 52 Belaeva and Siplivinsky, 1975 Krogulevich, 1978; Yuan, 1993 Probatova and Sokolovskaya, 1995 24
21 Dasystephana septemfida Pallas 3NT 26 Gagnidze et al., 1992, 1998; Daniela, 1997 26
22 Erythronium sibiricum (Fisch. et Mey.) Kryl. 3LC 20,24 ХЧЦР, 1969; Крогулевич, Ростовцева, 1984 20
23 Fragaria moschata Duch. 3NT 42 28, 35, 42, 56 Murin, 1976; Niemirowicz-Szczyatt and Malepszy, 1980; Arohonka, 1982; Pogan et al., 1987; Javurkova-Jarolimova, 1992; Staudt et al., 1997 Lippert, 1985 14
24 Goniolimon speciosum (L.) Boiss. 2EN - Нет публикаций 32
25 Hedysarum alpinum L. 2EN 14 16 Krogulevich, 1978; Dawe and Murray, 1979; Lavrenko et al., 1990; Love and Love, 1982a Yan et al., 1989 14
1 2 3 4 5 6
26 Hypericum ascyron L. 1CR 16 oKo^o 20-22 18 Krogulevich, 1978 Krasnoborov et al., 1980 Kogi, 1984; Nishikawa, 1990 18
27 Nepeta nuda L. 2EN 18 Strid and Franzen, 1981; Baden, 1983; Buttler, 1985; Baltisberger, 1991b; Nafanailova and Zakirova, 1991; Budantsev et al., 1992 18
28 Orostachys spinosa (L.) C.A. Mey. 3LC 24 Probatova and Sokolovskaya, 1989 24
29 Potentilla erecta (L.) Raeusch. 3NT 28 14, 21, 28, 38 18 14 Uhrikova, 1974a, 1978; Love and Love, 1982b; Ietswaart and Kliphuis, 1985; Dmitrieva and Parfenov, 1985, 1987; Pashuk, 1987; Castroviejo, 1983; Delgado et al., 2000; Lovkvist and Hultgard, 1999 Magulaev, 1979a Davlianidze, 1985 Javurkova-Jarolimova, 1992 28
33 Pulsatilla patens (L.) Mill. 3NT 16 Kartashova et al., 1974; Uhrikova, 1978; Rostovtseva, 1981, 1984; Dawe and Murray, 1979; Love and Love, 1982; Murin et al., 1980; Semerenko, 1985b, 1990; Krasnikov, 1991a 16
34 Schedonorus giganteus (L.) Sorreng. =Festuca gigantea (L.) Vill. 2EN 14 42 56 28, 42 Mehra and Sharma, 1975b; Parkash, 1979; Mehra, 1982; Kozuharov and Petrova, 1991 Kozuharov and Nikolova, 1975; Probatova and Sokolovskaya, 1978, 1979; Strid and Franzen, 1981, 1983 Petrova in Prokudin et al., 1977; Tveretinova in Procudin et al., 1977; Malachova et al., 1979; Dmitrieva, 1985a; Guzik, 1984; Parfenov and Dmitrieva, 1988; Stepanov and Muratova, 1995; Montgomery et al., 1997; Lovkvist and Hultgard,1999 Seal, 1983 Alexeev et al., 1987 42
35 Sedum aizoon L. 3LC 56 32-34, 48, 61, 64, etc Gurzenkov, 1973 Amano, 1990 90,98
1 2 3 4 5 6
71-124, 32-34 48, 61, 63, 64, 78, 80, 84, 85, 88, 93-97,102 30-32, 64 66 Amano and Ohba, 1992, 1993 Probatova and Sokolovskaya, 1995 Funamoto et al., 1995
36 Stipa pennata L. 3LC 44 Petrova in Prokudin et al., 1977; Krasnikov, 1991a 44
37 Viola dactyloides Schult. 2EN 24 Stepanov and Muratova, 1992 -
38 Viola dissecta Ledeb. 2EN 24 48 40 Krasnoborov et al., 1979; Yurtsev and Zhukova, 1982 Sokolovskaya and Probatova, 1986a; Probatova and Bezdeleva, 1998 Stepanov, 1994 -
Примечание. Латинские названия растений выверены по С.К. Черепанову [10]; статус редкости приведен по Красной книге природы Санкт-Петербурга [2]; литературные источники приведены по справочнику «Т^ех...» [9]; виды под № 3, 13, 17, 18, 30, 32, 33 пока не включены в Красную книгу Томской области.
Впервые изучено число хромосом у трех новых редких видов: Artemisia latifolia, A.macrantha, Goniolimon speciosum. Некоторые виды изучались многими авторами. Особенно интенсивно исследовался Allium schoenoprasum (более 60 авторов), у которого отмечены диплоиды и триплоиды.
У Bistorta viviparia 13 авторов отмечают варьирование числа хромосом от 88 до 120. Единственное определение - около 12 хромосом - нам представляется маловероятным. Это может быть результатом неверного определения вида.
Festuca gigantea оказалась довольно полиморфной: у нее имеются диплоиды, окто- и гексаплоиды; в условиях культуры и в природных популяциях Томской области число хромосом у этого вида равно 42.
Наибольшие вариации числа хромосом отмечены у Sedum aizoon: от 30-32 до 124, в Томской популяции - от 90 до 98.
У других 12 редких видов Томской области (Alfredia cernua, Aquilegia si-birica, Campanula rapunculoides, Dasystephana macrophilla, Hedysarum alpinum, Hypericum ascyron, Orostachys spinosa, Potentilla erecta, Primula cor-tusoides, Primula macrocalyx, Pulsatilla patens, Stipa pennata) вариации числа хромосом либо незначительны, либо отстутсвуют. Некоторые виды (Allium ledebourianum, Brunnera sïbirica, Fragaria moschata) имеют существенные различия по числу хромосом в пределах своего ареала; как правило, на северном пределе они являются полиплоидами. Это необходимо учитывать при оценке итогов интродукции и использовании интродукционного материала в реинтродукции.
Анализ полученных данных показал, что 40 % изученных видов имеют постоянное число хромосом независимо от эколого-географических условий произрастания. Для большинства видов отмечен внутривидовой хромосомный полиморфизм преимущественно полиплоидного характера. В первую очередь это касается видов Allium, Artemisia, отдельных представителей семейства орхидных, Brunnera sibirica, Minuartia stricta, Kochia prostrata.
Так, для Allium lineare отмечены 3 хромосомные формы: диплоидная (2n = 16), тетраплоидная (2n = 32) и гексаплоидная (2n = 48). Тетраплоидный цитотип характерен для образцов, собранных в окр. г. Томска и интродуци-рованных в СибБС; гексаплоидный цитотип отмечен у образцов, полученных из Норвегии и Польши. Allium nutans является чрезвычайно полиморфным видом по числу хромосом в условиях интродукции (2n = 32, 36, 38, 39, 40, 48, 64), однако в природных популяциях на всем протяжении своего ареала он тетраплоидный (2n = 32) [5, 6]. Образцы Allium obliquum, полученные из Германии, являются тетраплоидными (2n = 32), хотя данный вид преимущественно известен как диплоид (наши данные и [8]). Allium schoenoprasum в культуре обнаружил 2 хромосомные формы: диплоидную (2n = 16) и тетрап-лоидную (2n = 32), при этом диплоидный цитотип отмечен у большинства интродуцентов, а тетраплоидный - лишь у образцов, полученных из Москвы.
Сравнение числа хромосом томских образцов с таковым растений из других частей ареала показало, что многие виды в популяциях Томской области являются более высокохромосомными. Так, реликтовый вид бруннера сибирская в томских популяциях (Аникино, Коларово) и в условиях интродукции в СибБС является высокоплоидным (2n = 12х = 72), однако в литературе опи-
саны только ди-, тетра- и гексаплоидные цитотипы [9]. Другой реликтовый вид - володушка многожильчатая - в Томской области представлен тетрап-лоидной формой (2n = 28), тогда как в горных популяциях на юге Сибири (Алтай, Западный Саян) он имеет диплоидное число хромосом (2n = 14; см. табл. 1).
Три вида рода Artemisia (полынь Гмелина, полынь широколистная и полынь крупноцветковая), интродуцированные из природных популяций Томской области [5, 8], являются высокоплоидными, особенно полынь крупноцветковая, у которой мы впервые определили число хромосом (2n = 12х = 108) [8, 13]. У полыни широколистной мы отметили 2 хромосомные формы - гексаплоидную (2n = 54) и октоплоидную (2n = 72). У гониолимона красивого, который произрастает на юге Томской области, также установлено наиболее высокое число хромосом (2n = 4х = 32) по сравнению с другими видами данного рода.
Как известно, большинство редких видов Томской области, вошедших в Красную книгу, произрастает в крайне суровых климатических условиях, находясь на северной границе своего ареала. Как подчеркивает Э. Майр [12], условия среды обитания для вида вблизи границы его ареала близки к экстремальным, отбор жесток, поэтому только ограниченное число генотипов может выжить. Уменьшение мощности потока генов, увеличение давления отбора и усиливающаяся степень инбридинга обедняют генетическую изменчивость периферических популяций. Вероятно, периферические популяции с трудом поддерживают свое существование [12, 15], поэтому нередко у отдельных видов растений на границах ареалов закрепляются высокоплоидные цитотипы как наиболее адаптированные к суровым условиям периферии. Эти же тенденции к адаптации, вероятно, сохраняются и у интродуцентов, взятых из природных популяций Томской области, поскольку условия культуры для большинства из них также являются экстремальными. Однако часть видов, даже в крайних условиях границы ареала, в том числе и при интродукции, эволюционирует на постоянной хромосомной основе в пределах генотипической нормы реакции (Kitagawia baicalensis, Hedysarum alpinum, Dasystephana septemfida, виды рода Cypripedium, Aquilegia sibirica, Actaea spicata, Festuca gigantea).
Выявление генотипических критериев адаптации редких видов в условиях интродукции
Одним из подходов к изучению роли генотипической изменчивости в протекании микроэволюционных процессов и адаптации интродуцентов к суровым условиям среды является постановка экспериментов по реинтродукции редких видов. Нами были заложены опыты по реинтродукции различных внутривидовых хромосомных форм модельного вида Allium nutans в естественные фитоценозы в окрестностях с. Коларово (Томская область). В эксперименте участвовали 7 хромосомных форм A.nutans - тетраплоиды (формы А-32, К-32, М-32), пентаплоиды (форма К-40), гексаплоиды (М-48) и анеуп-лоиды (формы К-38 и К-39).
Кроме лука-слизуна, в реинтродукционный эксперимент было вовлечено еще 19 редких видов на территории Заповедного парка и экспериментального участка СибБС (табл. 2).
Для лука-слизуна кариологические исследования проводились на вегетирующих растениях у хромосомных форм А-32, К-32, К-40, К-38, К-39 и на проростках семян, полученных в условиях реинтродукционного эксперимента у всех хромосомных форм. Подсчет числа хромосом у вегетирующих растений показал, что после 6-7-летнего реинтродукционного эксперимента все изученные образцы оказались тетраплоидными (2п = 32). Только для анеуп-лоидной формы К-39 (число хромосом определено у четырех потомков) обнаружены образцы с 2п = 32, 36 и 39.
Семенной материал оказался более гетерогенным. Так, во всех проростках, собранных с хромосомных форм А-32, К-32 И К-38, установлено тетрап-лоидное число хромосом 2п = 32. В проростках семян, собранных с хромосомных форм К-39, К-40 и М-48, обнаружены единичные проростки с 2п = 32, 33, 35, 36, 40, 48. При этом в семенном поколении формы К-39 преобладают тетраплоидные проростки, в семенном поколении формы К-40 - проростки с 2п = 40 и формы М-48 с 2п = 48.
Т а б л и ц а 2
Редкие виды Томской области, реинтродуцированные на территории СибБС ТГУ
Вид 2n Место реинтродукции
Alfredia cernua (L.) Cass. 26 Заповедный парк, экспериментальный участок
Aquilegia sibirica Lam. 14 Заповедный парк, экспериментальный участок
Brunnera sibirica Stev. 72 Заповедный парк
Campanula rapunculoides L. 102 Заповедный парк
Dianthus deltoides L. 30 Заповедный парк
Eryngium planum L. 16 Заповедный парк
Festuca gigantea (L.) Villar 42 Заповедный парк
Filipendula vulgaris Moench. 14 Заповедный парк
Fragaria moschata Duch. 14 Заповедный парк
Hemerocallis minor Mill. 22 Заповедный парк
Hypericum ascyron L. 18 Заповедный парк
Lychnis chalcedonica L. 24 Заповедный парк
Paeonia anomala L. 10 Заповедный парк
Polygonatum humile Fisch. ex Maxim 20, 30 Заповедный парк
Primula macrocalyx Bunge 22 Заповедный парк
Primula pallasii Lehm. 22 Заповедный парк, экспериментальный участок
Sedum aizoon L. 98 Заповедный парк
Trollius asiaticus L. 16 Заповедный парк
Veronica incana L. 34 Заповедный парк
Таким образом, реинтродукционный эксперимент с A. nutans показал, что при переносе различных цитотипов из культуры в природные условия среды
наибольшим адаптационным потенциалом обладает тетраплоидный цитотип, характерный для природных популяций данного вида. Однако в культуре А. nutans может существовать в форме крупного хромосомного комплекса. Для остальных видов, реинтродуцированных на территории СибБС, отклонений в числе хромосом не отмечено.
Исследования числа хромосом позволяют сделать заключение о возможности проведения реинтродукции на базе репродукции в условиях интродук-ционного эксперимента в СибБС.
Литература
1. Красная книга Томской области / Под ред. А.С. Ревушкина. Томск: Изд-во Том. унта, 2002. 402 с.
2. Красная книга природы Санкт-Петербурга. СПб.: Профессионал, 2004. 416 с.
3. Малахова Л.А. Кариологический метод в интродукции растений // Ускорение интродукции растений Сибири. Новосибирск: Наука, 1989. С. 47-56.
4. Малахова Л.А. Кариологический анализ природных популяций редких и исчезающих растений на юге Томской области // Бюл. ГбС Ан СССР. l990. Вып. 155. С. 60-65.
5. Малахова Л.А., Маркова Г.А. Числа хромосом цветковых растений Томской области. Двудольные растения // Ботанический журнал. 1994. Т. 79, № 12. С. 103-106.
6. Амельченко В.П. К изучению кариосистематики полыней Приенисейской группы // Новые данные о природе Сибири. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1979. С. 114-119.
7. Амельченко В.П. Биосистематика полыней Сибири. Кемерово: Ирбис, 2006. С. 114-122.
8. Отчет о НИР по теме: Цитогенетические и морфобиологические аспекты изучения редких растений для целей реинтродукции (заключительный). Томск, 2005. 62 с.
9. Index to plant chromosome numbers 1973-2003. Missouri: Botanical Garden, 2004. 2425 p.
10. Черепанов С.К. Сосудистые растения России и сопредельных государств (в пределах бывшего СССР). СПб.: Мир и семья, 1995. 992 с.
11. Хромосомные числа цветковых растений Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Наука, 1969. 285 с.
12. Майр Э. Популяция, виды и эволюция. М.: Мир, 1974. 460 с.
13. Wendelberger G. Die Section Heterophyllae der Gattung Artemisia L. // Bibliotheca Botanica. Heft 125. 1960. 124 s.
14. Числа хромосом цветковых растений флоры СССР. Л.: Наука, 1990. С. 122-123.
15. Грант В. Видообразование у растений. М.: Мир, 1984. 528 с.
