CC BY
27
УДК581.34:582.475.2
ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ НА СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МУЖСКИХ ГЕНЕРАТИВНЫХ ОРГАНОВ
СИБИРСКИХ ВИДОВ ХВОЙНЫХ
Н.Е. Носкова1, Л.И. Романова2
'Красноярский государственный аграрный университет, 660049, Красноярск, пр. Мира, 90 2Сибирский государственный технологический университет 660049, Красноярск, пр. Мира, 82
Стрессовые условия окружающей среды оказывают глубокое влияние на рост и развитие особей сибирских хвойных и на формирование у них репродуктивных органов. Согласно официальным данным, климат на Земле заметно изменился, особенно за последние 20 лет (Симченко, 2001). Установлено, что климат территории России наиболее чувствителен к глобальному потеплению, чем климат других регионов земного шара.
На территории Красноярского края характерной особенностью в последние годы явились продолжительные теплые осени с установлением постоянных ночных заморозков в середине - конце октября (Погода России, http://meteo. infospace.ru), что радикальным образом повлияло на биологию сибирских хвойных в окрестностях г Красноярска, вызвав значительные изменения в развитии их мужских генеративных структур.
В данной статье приводятся данные многолетних исследований структурно-функциональных свойств мужских генеративных органов лиственницы сибирской и сосны обыкновенной, произрастающих в г. Красноярске и его окрестностях, в условиях изменившегося климата Сибири
Ключевые слова: лиственница сибирская, сосна обыкновенная, климатические изменения, микроспорогенез, ми-кроспороциты, мейотические деления, генеративные органы.
Modern Siberian climate had changed especially during last two decades that led to gradual increases in temperature and the length of the growing season. It was affected on the forest growth and productivity and caused the Larix migration to northward and expansion of larch forest communities in the tundra zone. In these conditions it was observed definite changes of structural-functional properties of the male generative organs of Siberian larch and Scotch pine. Thus the study showed that the Siberian larch generative organs haven't organic dormancy and that there are meiosis and microspore development was occurred in the larch male microstrobilus during the frequent prolonged winter thaws. It was detected that the microspores were lost with the onset of freezing temperatures. The shortage of pollen in spring during the pollination led to reduction number of mature cones and seeds. It was noted that the offset the timing of the development of the male generative organs of Scotch pine occur in years with abnormally long and warm autumn in the Krasnoyarsk and its suburbs. The consequence of it was numerous meiosis disturbances and formation of anomal pollen grains. Many microspores not passed through prothallial divisions and formed the uninuclear pollen grains which couldn't to accumulate the starch and germinate in the pollen tubes. Such pollen was sterile and yield of cones and seeds was poor.
Keywords: Siberian larch, pine, climate change, microsporogenez, microsporocit, meioticheskie division, generative organs.
ВВЕДЕНИЕ
В статье рассмотрено влияние температуры воздуха на состояние мужских генеративных органов лиственницы сибирской и сосны обыкновенной в осенне-зимний период. В ходе настоящих исследований установлено смещение сроков развития мужских генеративных органов у данных видов хвойных в аномальные годы с продолжительной и теплой осенью в г. Красноярске и его окрестностях, что ведет к формированию стерильной пыльцы и снижению продуктивности шишек и семян.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования послужили деревья сосны обыкновенной и лиственницы сибирской, произрастающие в различных районах г. Красноярска и его окрестностей (сосна обыкновенная: пгт. Березовка, Академгородок, Погорельский ОЭП, платформа Бадаложный; лиственница сибирская: р-он Набережной р. Енисей, р-он Нефтебазы, Академ-
городок, Погорельский ОЭП), с которых в течение ряда лет, начиная с 1999 г. регулярно проводились сборы образцов мужских почек, микростробилов и пыльцы в осеннее-зимний период и весной во время формирования пыльцы и пыления, а также, зрелых женских шишек. Исследовали морфологические показатели и жизнеспособность пыльцы, структуру урожая. Для этого образцы мужских почек и микростробилов фиксировали спиртово-уксусной смесью (Чебакова, 2002). Для исследования характеристик пыльцы готовили временные микропрепараты, которые окрашивали кармином по Гренахеру (Паушева, 1980), ацетогематоксилином (Фрайштат, 1980) или сафранином (Смирнов, 1968), просматривали и фотографировали на микроскопе МБИ-6 (СССР, ЛОМО). На препаратах определяли фазы микроспорогенеза, и микрогаметофитогенеза, фиксировали отклонения от нормы; определяли морфометрические показатели пыльцевого зерна, проводили анализ аномалий пыльцевых зерен и их жизнеспособность: содержание крахмала в пыльце, прорастание в 15 % растворе
сахарозы (Третьякова, 1990). Семенную продуктивность макростробилов оценивали по Е.Г. Мининой и И.Н. Третьяковой, масса 1000 семян и качество семян рентгенографическим методом (Минина, 1983). При оценке влияния температурного фактора на процессы репродукции сосны обыкновенной учитывали значения сумм эффективных температур с пороговым значением + 5 и 0 град., С, а также продолжительность вегетационного периода по среднесуточным температурам. Статистический анализ проводили с использованием пакета компьютерных программ Microsoft excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Развитие генеративных органов у сибирских хвойных связано с видовыми свойствами. В июле, после остановки роста побегов, закладываются вегетативные и генеративные почки, в них идут активные процессы морфогенеза. Лиственница сибирская и сосна обыкновенная - основные лесообразующие виды бо-реальной зоны, прекрасно адаптированы к местным температурным условиям. Развитие микроспорофиллов в мужских генеративных почках у лиственницы происходит наиболее быстрыми темпами. Осенью в мужских генеративных почках лиственницы сибирской формируются микроспорофиллы с микроспорангиями, в которых развиваются клетки археспория. В начале октября клетки археспория дифференцируются в микроспороциты, вступают в профазу 1 мей-оза и на стадии диплотены зимуют. Весной в марте следующего года мейоз завершается, формируются зрелые пыльцевые зерна (конец апреля - начало мая).
У сосны обыкновенной формирование мужских генеративных почек идет медленнее. Осенью в мужских почках закладываются клетки археспория, а процессы микроспорогенеза, развитие мужского гамето-фита и пыление проходят следующей весной, обычно в мае - начале июня. Развитие мужских генеративных органов у обоих видов тесно связано с температурой воздуха.
Исследования мужских генеративных побегов у лиственницы сибирской показали, что в окрестностях г. Красноярска в аномальные годы с продолжительной и теплой осенью микроспороциты уходили в зиму на стадии диакинеза, более продвинутой стадии профазы I (рисунок 1). Зимой, при частых оттепелях, от 0 до +40 С микростробилы лиственницы сибирской увеличивались в размерах и приобретали желтый цвет. Цитологический анализ показал наличие в них деградирующих диад и тетрад микроспор, а также редуцированных пыльцевых зерен, что свидетельствует о прошедших редукционных делениях. Массовое образование деградирующих диад и тетрад в зимний период при оттепелях приводило к слабому пылению лиственницы весной.
При внесении веток лиственницы зимой в тепло и погружении их в воду в течение двух недель происходило появление брахибластов, достигающих длины
в среднем 0,5-0,7 см. Далее происходило высыпание одноклеточной пыльцы из микростробилов. При хранении веток лиственницы с мужскими генеративными почками на стадии профазы I в условиях холодильной камеры при температуре 0 + 40 С, в течение двух недель мейоз завершался, и наблюдалось формирование пыльцевых зерен. Таким образом, у лиственницы при низких положительных температурах in vivo и in situ возобновлялись мейотические деления и формировались одноклеточные пыльцевые зерна. Следовательно, в генеративных органах лиственницы сибирской отсутствует органический покой в осенне-зимний период и при низких плюсовых температурах они способны продолжать свое развитие.
Рисунок - 1 Мейоз в микроспороцитах лиственницы сибирской:
а - метафаза I, б - диакинез, в - диффузная стадия, г - поздняя профаза I, д - ранняя профаза I.
В результате исследований было выявлено, что возобновление мейотических делений in vivo у лиственницы происходит обычно весной в конце марта-начале апреля, в период низких положительных температур. Мейоз у лиственницы в г. Красноярске и его окрестностях проходил в конце марта- начале апреля при среднесуточных температурах воздуха, часто, около нуля. Интересно отметить, что во всех условиях произрастания у лиственницы сибирской при прохождении редукционного деления наблюдалось большое число нарушений (рисунок 2). При этом было
в
Рисунок - 2 Нарушения в мейозе у лиственницы сибирской: а, б - расщепление веретена при первом делении, с образованием триады; б - разорванный хромосомный мост; в - выброс хромосом за пределы веретена деления, х 500
установлено, что наиболее широкий спектр хромосомных нарушений был выявлен в микроспороцитах лиственницы сибирской, произрастающей в условиях промышленного загрязнения. Анализ аномальных мейоцитов показал, что наибольшее количество нарушений наблюдалось на стадии анафазы - те-лофазы II. Значительную долю нарушений составляло
расщепление веретена деления с образованием триад, эта аномалия встречалась только в условиях загрязнения. Фрагменты в метафазах первого деления клеток лиственницы из загрязненного района встречались в 2 раза чаще, чем в мейоцитах с фоновых насаждений. Отставаний хромосом в клетках изучаемого объекта в условиях загрязнения также выявлено больше, по сравнению с контролем. Все наблюдаемые нарушения в мейозе сказывались на качестве пыльцевых зерен у лиственницы. В начале мая у лиственницы в микроспорах проходили три-четыре деления с образованием зрелой пыльцы, состоящей из 2-3 клеток.
Известно, что зрелые пыльцевые зерна лиственниц окружены очень толстой экзиной, которая предотвращает их от неблагоприятных воздействий природных факторов в период формирования и препятствует прорастанию пыльцы. Даже в условиях in vitro зрелые пыльцевые зерна лиственницы не прорастают на питательных средах. Однако в период редукционного деления и формирования микроспор мужские генеративные структуры лиственницы не имеют толстой оболочки и очень сильно подвержены негативному воздействию факторов внешней среды. Отсутствие у лиственницы органического покоя и нормальных покровов в осенне-зимний период привело к тому, что при низких отрицательных температурах происходила массовая гибель микроспор и, как следствие, гамето-генез выпадал из цикла развития, что в свою очередь, оказывает негативное влияние на процесс опыления семяпочек и формирование урожая у лиственниц.
На основании проведенных исследований можно заключить, что, редкие семенные годы у лиственниц обусловлены погодными условиями в период формирования пыльцы. При отрицательной температуре воздуха зимой микростробилы лиственницы находятся в вынужденном покое и при теплой продолжительной осени и мягкой зиме могут продолжать свое развитие, что имеет негативные последствия при наступлении морозного периода. Более того, заморозки, наблюдаемые в отдельные годы в период формирования мужского гаметофита, нарушают нормальный ход формирования спородермы. В результате, экзина формировалась тонкой и при легком нажиме на пыльцевое зерно разрывалась (рисунок 3). В результате этого феномена пыльцевые зерна лиственницы прорастали на искусственных средах без всякой химической предобработки. Завершение мейоза у микроспороци-тов ранней весной при положительных температурах воздуха (даже около 00 С) приводит к формированию полноценных пыльцевых зерен, окруженных толстой оболочкой, которая защищает содержимое пыльцевого зерна от внешних воздействий.
У сосны обыкновенной в условиях Сибири процессы микроспорогенеза в почках идут весной следующего после заложения почек года. Однако в годы с продолжительной и теплой осенью развитие мужских генеративных органов у сосны оказалось более продвинутым. В условиях достаточно высоких осенних температур в течение продолжительного периода клетки археспория сосны успевали пройти митотиче-
ские деления, дифференцировались микроспороци-ты, которые вступали в первую фазу мейотического деления и относительно короткий покой в диплотене у сосны растягивался на долгие зимние месяцы. Ми-кроспороциты у сосны обыкновенной, как и у видов Ьапх, зимовали в состоянии профазы I, однако при оттепелях зимой мейоза не завершали.
Рисунок - 3 Слабая, чувствительная к механическому воздействию экзина у пыльцы лиственницы сибирской
Редукционное деление в микроспороцитах сосны обыкновенной, при смещении сроков запуска микро-спорогенеза, возобновлялось в начале мая следующего года развития, с минимальным накоплением эффективных температур (49-55 градусо-дней) и при пороговом значении среднесуточной температуры в пределах 10-120 С, завершалось. Для запуска второго деления мейоза также необходимо пороговое значение температуры. При похолодании в период микро-спорогенеза эквационное деление задерживалось до наступления благоприятных температур. Оба деления микроспорогенеза проходили с высоким уровнем аномалий (до 40 %, таблица 1). В ходе дальнейшего развития примерно 29-32 % мейоцитов с нарушениями в ходе мейоза деградировали. Не утилизированные мейоциты в процессе дальнейшего развития формировали аномальные пыльцевые зерна (30-80 %).
Таблица 1 - Частота встречаемости мейоцитов с нарушениями деления
Нарушение
%
Хромосомные и хроматидные мосты 7
Отстающие хромосомы и фрагменты 1,5 Параллельное расположение веретена деления (может привести к слиянию полюсов деления)
Нарушение функций ахроматинового веретена 3-4
36
Неравное распределение генетического материала
0,5
между дочерними клетками Выброс хромосом за пределы веретена деления 1-2 Ранний цитокинез (после первого деления)_3-5
Формирование пыльцы у сосны обыкновенной шло асинхронно у разных деревьев и в пределах одного микростробила. Сроки и длительность этапов развития пыльцы варьировали в зависимости от температуры. В ходе гаметофитоггенеза шло развитие пыльцевых оболочек, стремительный рост размеров пыльцевых зерен, которые достигли максимальных размеров за два-три дня до начала пыления и составили 106-116 % от размеров зрелого пыльцевого зерна. В последующие дни размеры пыльцевых зерен уменьшались в связи с подготовительными процессами, предшествующими пылению. Первые проталлиальные деления при формировании пыльцы у сосны обыкновенной зарегистрированы за неделю до начала пыления. За три дня до начала пыления в образцах встречались пыльцевые зерна с 1-ой и 2-мя проталлиальными клетками. Перед началом пыления наблюдалось истончение интины и заполнение воздухом мешков пыльцевого зерна. Влажная погода задерживала процессы подготовки и начала пыления. При установлении же сухой и теплой погоды наступало дружное массовое пыление, которое завершалось за несколько дней.
Цитологические исследования показали, что в образцах зрелой пыльцы доля характерных для сосен двухклеточных гаметофитовсоставилатолько24-32%. Остальную массу составила пыльца на стадии про-таллиальных делений (18-20 %), одноклеточная (37-41 %) и деградирующая (10 %) пыльца. Доля тератологических форм превысила 40 %. Таким об-
разом, 50-60 % зрелых пыльцевых зерен на момент вылета из спорангия не завершили гаметофитоге-нез (рисунок 4). Тест на крахмал показал слабое накопление углевода в зрелых пыльцевых зернах (20-50 %). Такая пыльца слабо прорастала на питательных средах, а в отдельные годы была полностью стерильной. У прораставших гаметофитов пыльцевые трубки часто были «забиты» каллозными пробками, что препятствовало перемещению ядра вегетативной клетки и генеративной клетки в трубку. Такие пыльцевые трубки не превышали в длину 1-1,5 диаметра тела пыльцевого зерна и быстро лизировали. Низкое качество пыльцы обусловило низкую семенную продуктивность у сосны обыкновенной в исследуемые годы (рисунок 5).
Рисунок 4 - Одноклеточная пыльца у сосны обыкновенной
■о ¡-
о о и
ш
^
ч о
«
й и
I
<и
а
<и О
25
20 -
15 -
10 -
5 -
Академгородок
Погорельский ОЭП
пл. Бадаложный
12000
16,1
20,1
■ 2001
14,3
16,8
15,6
□ 2002
16,9
9,9
9,3
□ 2006
16
16,6
Рисунок 5 - Семенная продуктивность макростробилов сосны обыкновенной. *Норма для Красноярской лесостепи 19-21 % (Третьякова, 1990)
0
Заключение. Таким образом, формирование пыльцы у лиственницы сибирской и сосны обыкновенной в условиях изменившегося в последние годы климата имела свои особенности: мейоз в микроспороцитах начинался осенью и заканчивался весной следующего года (у лиственницы в начале апреля, у сосны в начале мая). Мейотические деления проходили с многочисленными нарушениями, во многих случаях в микроспорах отсутствовали проталлиальные деления. В результате наблюдалось большое количество аномальной пыльцы, в том числе одноядерной, не способной формировать пыльцевые трубки. Ранний мейоз, большое количество нарушений в процессе мейотических делений и формирования гаметофитов привело к образованию стерильной пыльцы, слабому пылению и, как следствие, к слабому (или полному отсутствию) урожая шишек и семян.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Абаимов, А.П. Эколого-географические особенности притун-дровых лесов Средней Сибири и организация хозяйства в них / А.П. Абаимов, А.П. Бондарев // Проблемы при-тундрового лесоводства. - Архангельск, 1995. - С. 42-55. Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае за 2010 год». - Красноярск, 2011. - 280 с. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации (Общее резюме) / Под ред. Т.В. Лешкевич. - М., 2008. - 28 с.
Павлов, И.Н. Динамика посевных качеств семян Larix sibirica Ledeb. В насаждениях юга Сибири с 1936 по 2000 г.г. / И.Н. Павлов, А.Г. Миронов // Хвойные боре-альной зоны. - 2003. - Выпуск 1. - С. 14-21.
Rehfeldt Е., Tchebakova Nadejda M., Milyutin Leonid I., Parfenova Elena I., Wykoff William R. and Kouzmina Nina A. Gerald Assessing population responses to climate in Pinus sylvestris and Larix spp. of Eurasia with climate-transfer models // Eurasian J. For. Res. 6-2: 8398, 2003.
Stefan Rahmstorf, Anny Cazenave, John A. Church, James E. Hansen, Ralph F. Keeling, David E. Parker, Richard C. J. Somerville. Recent Climate Observations Compared to Projections // Science. 2007. - V. 316. - P. 709.
Чебакова, Н.М. Прогноз изменения фитомассы лесов в широтных и высотных зонах при потеплении климата / Н.М. Чебакова, Е.И. Парфенова, Р.А. Монсеруд // Лесные экосистемы Енисейского меридиана. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2002. - С. 252-264.
Паушева, З.П. Практикум по цитологии растений / З.П. Па-ушева. - М.: Колос, 1980. - 304 с.
Фрайштат, Д.М. Реактивы и препараты для микроскопии / Д.М. Фрайштат. - М.: Химия, 1980. - 480 с.
Смирнов, Ю.А. Ускоренный метод исследования соматических хромосом / Ю.А. Смирнов // Цитология. 1968. № 2.
Третьякова, И.Н. Эмбриология хвойных / И.Н. Третьякова. - Новосибирск: Наука, 1990. - 157 с.
Минина, Е.Г. Геотропизм и пол у хвойных. / Минина Е.Г, Третьякова И.Н. // Новосибирск, СО АН СССР, 1983. -199 с.
Семена древесных пород. Методы рентгенографического анализа. ОСТ 56-94-87 // 1988. - 23 с.
Поступила в редакцию 03.02.14 Принята к печати 20.12.14
