Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности системы семенной репродукции у цветковых (обзор литературы) 12
1.1 Способы семенного воспроизводства у цветковых 12
1.2 Преимущества и недостатки амфи– и апомиктичного способов семенного воспроизводства 13
1.3 Степень изученности цветковых в отношении способа семенного воспроизводства 16
1.4 Терминология и классификация апомиксиса 18
1.5 Закономерности распространения апомиксиса у покрытосеменных
1.5.1 Степень распространения апомиксиса у цветковых 21
1.5.2 Характер распространения апомиксиса у цветковых 24
1.6 Распространение апомиксиса в основных семействах цветковых растений 27
1.6.1 Цитоэмбриологическое изучение представителей семейства Salicaceae 29
1.6.2 Особенности системы семенного размножения у видов Salix 31
1.6.2.1 Степень изученности апомиксиса у видов Salix 33
1.6.2.2 Партенокарпия у видов Salix 34
2 Материал и методы 36
2.1 Материал 36
2.1.1 Ботаническая характеристика исследованных видов рода Salix L. 36
2.2 Методы исследования 43
2.2.1 Сбор материала для цитоэмбриологических исследований 43
2.2.2 Метод приготовления препаратов просветленных семязачатков 44
2.2.3 Метод исследования семенной продуктивности при различных режимах цветения 45
2.2.4 Методика определения частоты партенокарпического образования плодов .47
2.2.5 Анализ структуры женского гаметофита 48
2.2.6 Методика проращивания семян 49
2.2.7 Погодные условия в годы исследования 50
3 Особенности системы семенной репродукции у видов рода salix l. Саратовской области 55
3.1 Развитие эуспорического мегагаметофита Polygonum–типа 55
3.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений видов Salix L 59
3.3 Особенности семенного размножения S. acutifolia 63
3.3.1 Семенная продуктивность в популяциях S. acutifolia при различных режимах цветения 63
3.3.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. acutifolia 64
3.4 Особенности семенного размножения S. caprea 71
3.4.1 Семенная продуктивность в популяциях S. caprea при различных режимах цветения 71
3.4.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. caprea 72
3.5 Особенности семенного размножения S. cinerea 73
3.5.1 Семенная продуктивность в популяциях S. cinerea при различных режимах цветения 73
3.5.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. cinerea 74
3.6 Особенности семенного размножения S. vinogradovii 75
3.6.1 Семенная продуктивность в популяциях S. vinogradovii при различных режимах цветения 75
3.6.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. vinogradovii 75
3.7 Особенности семенного размножения S. triandra 77
3.7.1 Семенная продуктивность в популяциях S. triandra при различных режимах цветения 77
3.7.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. triandra 78
3.8 Особенности семенного размножения S. rosmarinifolia 79
3.8.1 Семенная продуктивность в популяциях S. rosmarinifolia
при различных режимах цветения 79
3.8.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. rosmarinifolia 80
3.9 Особенности семенного размножения S. dasyclados 81
3.9.1 Семенная продуктивность в популяциях S. dasyclados при различных режимах цветения 81
3.9.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. dasyclados 81
3.10 Особенности семенного размножения S. fragilis 82
3.10.1 Семенная продуктивность в популяциях S. fragilis при различных режимах цветения 82
3.10.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. fragilis 83
3.11 Особенности семенного размножения S. alba 83
3.11.1 Семенная продуктивность в популяциях S. alba при различных режимах цветения 83
3.11.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. alba 84
3.12 Особенности семенного размножения S. caspica 84
3.12.1 Семенная продуктивность в популяциях S. caspica при различных режимах цветения 84
3.12.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. caspica 85
3.13 Особенности семенного размножения S. viminalisS. cinerea 85
3.13.1 Семенная продуктивность в популяциях S. viminalis S. cinerea при различных режимах цветения 85
3.14 Способность к прорастанию семян некоторых видов рода Salix, сформировавшихся при различных режимах цветения 86
3.15 Способность к партенокарпическому образованию плодов у видов рода Salix 87
3.16 Видовой состав рода Salix L. на антропогенных местообитаниях Саратовской области в связи со склонностью к апомиксису 90
3.17 Апоспория у видов рода Salix 94
3.17.1 Локализация апоспорических инициалей в семязачатках растений видов Salix 95
3.17.2 Частота встречаемости апоспорических инициалей на разных стадиях развития эуспорического мегагаметофита 97
3.18 Обсуждение результатов 99
Заключение 112
Выводы 115
Список сокращений и условных обозначений 117
Список использованных источников .
- Закономерности распространения апомиксиса у покрытосеменных
- Сбор материала для цитоэмбриологических исследований
- Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. acutifolia
- Семенная продуктивность в популяциях S. alba при различных режимах цветения
Введение к работе
Актуальность темы. Перспективы развития современного общества предусматривают интенсивное развитие биологической науки и практическое использование ее достижений, в частности, разработку и внедрение новых высокоэффективных методов селекции. Особенно интересен в этом отношении апомиксис (Savidan, 1995, 2001; Spillane еt al., 2001; Albertin еt al., 2010). Он открывает возможности закрепления желательных признаков у высокогетерозисных форм, ценных отдаленных гибридов, мутантов, полностью сохраняя комплекс их хозяйственно-ценных свойств. Однако основным культурным растениям в регулярной форме он не свойственен. Все это делает необходимым всестороннее теоретическое изучение сложного явления апомиксиса как в плане причин его возникновения, особенностей и стабильности наследования элементов апомиксиса, так и в плане изменчивости частоты проявления признаков апомиксиса у растений в популяциях.
Исследование апомиксиса имеет уже 150–летнюю историю (Braun, 1857; Strasburger, 1878; Winkler, 1908; Schnarf, 1929; Gustafsson, 1946, 1947; Koltunow et al., 1995; Vielle Calzada et al., 1996; Koltunow, 1998; Rodrigues, 2008). В настоящее время ведется интенсивное изучение апомиксиса с точки зрения систематики, эмбриологии, кариологии, молекулярной и популяционной генетики (Шишкинская, Юдакова, 2009; Savidan, 2000; Richards, 2003).
Однако даже вопрос о широте и степени распространения этого явления у покрытосеменных до сих пор остается открытым (Кашин и др., 2009), несмотря на достаточно многочисленные попытки составить списки апомиктичных видов, родов и семейств (Хохлов и др., 1978; Fryxell, 1957; Hanna, Bachaw, 1987; Asker, Jerling, 1992; Carman, 1995, 1997; Noyes, 2007). В списке J. Carman указано 406 апомиктичных видов 126 родов из 35 семейств. Очевидно, что этот список далек от исчерпывающего. Это красноречиво показывают результаты исследования видов семейства Asteraceae в пределах одной Саратовской области, предпринятые в последние годы. В ходе этих исследований апомиксис обнаружен у 18 видов и 7 родов, которые не отмечены в списке J. Carman (1995, 1997), что расширяет список апомиктичных родов апомиктов данного семейства на 25%, а список видов – более чем на 10% (Кашин и др., 2009).
В целом цветковые растения, и в частности род Salix L. (Salicaceae), изучены в отношении способов семенного воспроизводства явно недостаточно, поэтому любые исследования их системы семенного размножения заслуживают внимания. К числу признаков, косвенно указывающих на высокую вероятность апомиксиса у видов, относятся такие признаки, как широкие географические ареалы, космополитизм, сложная таксономическая дифференциация и внутривидовой полиморфизм, принадлежность к крупным семействам и родам (Хохлов, 1965). Представители рода Salix характеризуются именно этими признаками.
Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ № 08-04-00319 и № 00-04-49376.
Цель исследования. Цель работы заключалась в выявлении способности к гаметофитному апомиксису у растений видов рода Salix во флоре Саратовской области по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения и цитоэмбриологическим особенностям развития женской генеративной сферы.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Изучить семенную продуктивность растений видов Salix при различных режимах цветения (свободном опылении и беспыльцевом режиме).
2. Цитоэмбриологически исследовать структуру мегагаметофитов и семязачатков у растений видов Salix в отношении признаков апомиксиса.
3. Выявить способы семенного воспроизводства и особенности их реализации у растений различных видов Salix.
Научная новизна. Впервые с целью выявления апомиктичных форм проведено детальное исследование популяций 10 видов и 1 гибрида рода Salix, произрастающих на территории Саратовской области. Впервые выявлена способность к гаметофитному апомиксису у 7 видов рода. Показано, что у них имеет место существенная межвидовая, межпопуляционная и внутрипопуляционная изменчивость частоты реализации этого способа воспроизводства и его цитоэмбриологических признаков. Показано, что для выявления способности растений видов Salix формировать семена апомиктичным путем необходимо неоднократное изучение данного параметра в популяциях, так как у них апомиксис проявляется не во все годы и не во всех популяциях.
Научно–практическая значимость работы. Полученные данные могут использоваться для уточнения списка и характера распространения апомиктичных видов у цветковых, для сравнительного анализа при изучении других апомиктичных видов, для расширения данных по эмбриологии ив. Материалы диссертационной работы будут полезны при разработке спецкурсов по репродуктивной биологии, эмбриологии растений, современным методам селекции, экологии видов цветковых. Модифицированная методика выявления частоты амфи– и апомиксиса в популяциях может быть использована при определении этих параметров у других представителей цветковых. Исследованные видообразцы включены в уникальную коллекцию in situ апомиктичных видов.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на II (X) Междунар. ботанич. конф. молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012); IV Междунар. школе молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Пермь, 2012); XI Междунар. научно-практич. конф. «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2012); IX съезде Украинского общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (Алушта, 2012); XIII съезде Русского ботанического общества (Тольятти, 2013.); Междунар. научно-практич. конф. молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летию Г.К. Мейстера «Инновационное развитие АПК в России» (Саратов, 2013); XX Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, три из которых – в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.
Декларация личного участия автора. Автор лично провел в 2010 – 2013 гг. экспедиционные исследования по сбору материалов для изучения. Цитоэмбриологический анализ материала и исследование семенной продуктивности популяций полностью осуществлены автором. Анализ полученных результатов проведен автором самостоятельно по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в подготовке и написании совместных публикаций составляет более 50%.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 140 страниц, содержит 15 таблиц, 17 рисунков. Список литературы включает 252 источника, в том числе 119 - на иностранных языках.
Закономерности распространения апомиксиса у покрытосеменных
Семенное размножение в современной репродуктивной биологии понимается как высшая ступень эволюции систем размножения цветковых растений. Семя явилось очень ценным эволюционным приобретением, обеспечившим растениям целый ряд несомненных преимуществ, прежде всего, в расселении и переживании неблагоприятных условий (Терехин, 1996; Steeves, 1983). Особенности системы семенного размножения вида, популяции или особи, в первую очередь, обусловлены тем, какой способ репродукции для них характерен. В рамках системы семенного размножения возможна реализация, в том числе одновременная, двух разных способов образования семян: амфимиксиса и апомиксиса, которые приводят к различным генетическим последствиям (Кашин, Шишкинская, 1999).
При амфимиксисе семена образуются на основе нормального полового процесса, включающего мейоз и оплодотворение. Апомиксис - это специфический способ размножения, позволяющий получать абсолютные генетические копии материнского растения. При апомиксисе жизненный цикл укорочен, а эмбриогенез осуществляется в результате деления неоплодотворенных клеток, не прошедших через редукцию числа хромосом (Соколов, 2003). Сохраняя преимущества семенного размножения, каждый из способов воспроизводства вносит специфический вклад в формирование генотипической структуры популяции и видов (Модилевский, 1963; Поддубная–Арнольди, 1964, 1976; Кашин, Шишкинская, 1999; Батыгина, 2000а, б).
В отличие от бесполого, в половом размножении участвуют два родительских организма, потомство которых носит признаки обеих особей. Половое размножение свойственно всем эукариотам, но преобладает оно у животных и высших растений. Половое воспроизводство создает бесконечное разнообразие особей, успешно адаптирующихся к изменчивым внешним условиям, распространяющихся в новые места обитания, передавая свой наследственный материал потомству. Потомки двух родительских особей могут оказаться обладателями более удачной комбинации наследственных признаков. Особи с неудачной комбинацией признаков будут элиминированы естественным отбором. Таким образом, половое размножение создает богатый материал для естественного отбора и эволюции (Мейнард Смит, 1981).
Устойчивое апомиктическое размножение имеет известное преимущество по сравнению с половым. Апомиксис позволяет поддерживать генетически стабильный клон через семенное размножение неограниченно долго. Хорошим примером таких клонов с апомиктическим образованием семян служат виды одуванчика, отличающиеся высокой жизнеспособностью (Соколов, 2003).
Апомикты, образующие семена, обычно имеют еще одно преимущество – регулярное образование большого числа семян, не зависящее от нарушений мейоза, трудностей опыления и других условий, которые могут снижать плодовитость у форм с половым размножением (Мюнтцинг, 1967). Например, три-плоиды у видов с половым размножением оказываются стерильными, а у апо-миктов они нормально плодовиты (одуванчики). Многие аллополиплоиды и анеуплоиды также оказываются закрепленными с помощью апомиксиса (Глазунова, 1983; Ноглер, 1990).
Апомиктичные виды, как правило, космополиты (многие виды ястреби-нок, одуванчиков, манжеток, лапчаток, мятликов, ежевик и др.). Он может использоваться при производстве гибридных семян кукурузы и других культур из апомиктичных гаплоидов путем удвоения у них числа хромосом. Особенно важно применение апомиксиса у плодово–ягодных и других древесно– кустарниковых растений, у которых получение гомозиготных линий путем длительного самоопыления в 6—7 поколениях практически невозможно. Апо-миксис является именно тем механизмом, который позволяет преодолевать стерильность, сохранять и воспроизводить гибридные и полиплоидные формы (Шишкинская и др., 2004). На использовании этого способа воспроизводства также основано получение в промышленных масштабах (США, Англия) однородных и устойчивых подвоев, выращиваемых из апомиктичных сеянцев некоторых видов яблони. В Калифорнии сеянцы из апомиктично возникших зародышей используют для замены вырождающихся и ослабленных клонов цитрусовых, размножаемых обычно вегетативно (Хохлов, 1949).
Однако считается, что преимущества, получаемые особью при устойчивом апомиктичном размножении, носят временный характер. Апомикты процветают, пока условия среды остаются относительно неизменными. Лишившись способности к рекомбинации генов, они уже не обладают достаточной генетической пластичностью, необходимой для приспособления к изменяющимся условиям внешней среды. В новых условиях облигатные апомикты часто вымирают. Если апомиксис факультативный (частичный) и часть потомства образуется половым путем, как у псевдогамных видов ежевики, лапчатки или мятлика, растения получают определенное преимущество от апомиксиса и в то же время хотя бы частично сохраняют способность к генетическим рекомбинациям (Юзепчук, 1941; Мюнтцинг, 1967).
Таким образом, основное преимущество полового размножения биологи связывают с наличием генетической рекомбинации в процессах формирования половых клеток и оплодотворения, благодаря чему создается необходимый для эволюционных преобразований потенциал наследственной изменчивости. С этих позиций облигатные апомикты, утратившие мейоз и оплодотворение, объявлялись бесперспективными в эволюционном плане формами, не способными конкурировать с половыми сородичами (Шишкинская, Юдакова, 2009). Их называли «рецессивными формами», «аномалиями развития» (Winkler, 1920, Gustafsson, 1946), «закрытыми системами» (Stebbins, 1946), «тупиками эволюции» (Юзепчук, 1941).
В более поздних работах американских генетиков (Nygren, 1951; de Wet, 1965, 1968, 1971; de Wet, Harlan, 1970; de Wet, Stalker, 1974; Asker, 1979) стала разрабатываться принципиально новая точка зрения, основная идея которой состояла в том, что наиболее жизнеспособной системой размножения является та, которая основана на взаимодействии амфимиксиса и апомиксиса. Каждое из этих явлений обладает собственными качествами, представляющими эволюционную ценность, а недостатки одного компенсируются преимуществами другого. Такой системой, по мнению авторов, является факультативный апомиксис, при котором амфимиктичный способ образования семян сочетается с апо-миктичным. Эта концепция постепенно стала доминировать.
В последнее время обоснована точка зрения на то, что гаметофитный апомиксис представляет собой нестабильную систему семенного воспроизводства, как всякая нестабильная система стремящаяся к стабилизации своих параметров (Кашин, 2006). По мнению автора, стабилизация системы семенного размножения возможна только с возвратом ее к облигатно половому воспроизводству. По этому представлению, многочисленные переходы по уровням плоидности в совокупности с гибридизацией, а также некратная редукция числа хромосом, репарация и рекомбинация, которые постоянно реализуются у апомиктичных форм агамного комплекса благодаря динамическому равновесию апо- и амфимиксиса, представляют собой механизм достижения хромосомной сбалансированности геномов. При этом гаметофитный апомиксис рассматривается как фактор сальтационного видообразования.
Несмотря на глобальную эволюционную роль полового размножения, все вышеперечисленное позволяет говорить о том, что гаметофитный апомиксис имеет важное преимущество перед амфимиксисом в расселении, переживании неблагоприятных периодов, сохранении гетерозисности в неограниченном ряду поколений, стабилизации геномов (Кашин, Шишкинская, 1999). Это делает необходимым всестороннее теоретическое изучение сложного явления апомикси-са как в плане причин его возникновения, особенностей наследования элементов апомиксиса и поддержания устойчивости, так и в плане изменчивости частоты проявления в популяциях растений различных таксонов.
Сбор материала для цитоэмбриологических исследований
Известно, что при изучении репродукции цветковых растений в динамике семенную продуктивность подразделяют на две категории: потенциальную и реальную семенную продуктивность. Потенциальной семенной продуктивностью называют максимально возможное количество семян, которое способно производить растение, популяция или фитоценоз за определенный промежуток времени при условии, что все заложенные в цветках семязачатки смогут сформировать зрелые семена (Ситникова, 1950; Никишин, 1958; Злобин, 2000а).
Реальной (фактической) семенной продуктивностью называют количество полноценных семян, производимое растением в расчете на одну особь (Левина, 1981). Полноценность семян включает в себя, прежде всего, их жизнеспособность, проявляющуюся в способности семян прорастать и давать всходы (Злобин, 2000б).
В данной работе мы пользуемся понятием реальной семенной продуктивности и соответственно все сведения о семенной продуктивности, приведенные в работе, касаются реальной семенной продуктивности растений и популяций.
Результаты анализа статистически обработаны. Вариационные ряды обсчитывали с помощью программного продукта Microsoft Office Excel 2007. Для каждого параметра определяли среднее арифметическое (х); ошибку средней арифметической (хs). Сравнение вариационных рядов осуществляли по критерию Стьюдента (t = ,Xl" 2 ) при уровне значимости Р = 0.95 (Гланц, 1999). В случае, когда вычисленное значение критерия Стьюдента было меньше табличного, считалось, что варьирование анализируемых вариант было слишком велико. Сравнение долей проросших семян, полученных при свободном опылении 48 и беспыльцевом режиме цветения, производилось по критерию Фишера при 95%-ном доверительном уровне (Гланц, 1999). Способность растений видов Salix к образованию плодов в отсутствие опыления определяли по частоте обнаружения соцветий с партенокарпическими плодами. Частоту таких соцветий вычисляли как отношение числа соцветий, образовавших бессемянные плоды при беспыльцевом режиме цветения, к общему числу собранных соцветий каждого вида Salix.
При анализе структуры зародышевых мешков выявляется множество ценных признаков, характеризующих важнейшие параметры систем семенного размножения (Устинова, 1965; Наумова, Яковлев, 1972). Этот метод анализа информативен и в отношении признаков апомиксиса у растений.
Структуру семязачатков и зародышевых мешков анализировали под микроскопом AxioLab.A1 (Karl Zeiss, Германия) в режиме фазового контраста (в светлом поле) при увеличением 400. В общей сложности было выделено и исследовано 9665 зародышевых мешков и ближайшего их окружения клеток.
К числу цитоэмбриологических признаков гаметофитного апомиксиса относили преждевременную эмбрионию, развитие эндосперма без оплодотворения, присутствие в семязачатке рядом с тетрадой мегаспор или эуспорическими зародышевыми мешками апоспорических зародышевых мешков и/или клеток, морфологически подобных апоспорическим инициалям на разных стадиях формирования. В ходе исследования были выделены следующие типы структуры зародышевых мешков: 1. Нормальный эуспорический зародышевый мешок Polygonum-типа (яйцеклетка и две синергиды, 1 центральное ядро или 2 полярных ядра центральной клетки, антиподальный аппарат); 2. Дегенерирующие (полностью дегенеровавшие и (или) с признаками дегенерации в различных структурах зародышевого мешка – в яйцевом аппарате, полярных ядрах и (или) антиподах). 3. Апоспорические (семязачатки с клетками, подобными апоспорическим инициалям, и/или апоспорическими зародышевыми мешками); 4. С развитием без оплодотворения: a) яйцеклетки; б) центральной клетки (эндосперма); в) яйцеклетки и центральной клетки (эндосперма) одновременно.
Микрофотографирование осуществляли с использованием видеоадаптера LA-DC58K при помощи цифровой камеры Canon Power Shot G11. Визуализация изображения на мониторе PC осуществляли с использованием программного продукта Zoom Browser EX.
Прорастание семян – это переход от состояния покоя к вегетативному росту зародыша и образующегося из него проростка (Байджанов, 1995). Прорастание семян характеризуется всхожестью, т.е. процентом семян, давших нормальные проростки при оптимальных условиях за определенное время (Удалова, 1977).
Известно, что семена ив не содержат эндосперм (Сравнительная…, 1983; Валягина-Малютина, 2004), т.е. не имеют периода покоя и полностью теряют всхожесть через 6-8 дней, если не попадут в благоприятные для прорастания условия (Ситникова, 1950; Никишин, 1958). Для прорастания семян необходима в первую очередь вода, доступ кислорода и оптимальное значение температур (для ив – 20-25оС). Кроме того, для прорастания семян представителей семейства Salicaceae важна освещенность (Грушвицкий, 1961, 1965). При этих условиях семена ив прорастают уже на вторые сутки (Данович и др., 1982).
С целью проращивания семян растений видов Salix на следующий день после сбора очередного материала, отбирали по 20-30 выполненных семян, завязавшихся апо- и амфимиктичным путем (при различных режимах цветения), помещали их в чашки Петри на фильтровальную бумагу, смоченную дистиллированной водой, и оставляли на несколько суток на подоконнике при комнатной температуре. После появления семядолей подсчитывали процент проросших семян как отношение числа проросших семян к общему числу заложенных на прорастание семян.
Погодные условия на протяжении вегетационных периодов 2010-2013 гг. для г. Саратова приведены в таблице 2.1.
Для целей данной работы наиболее интересными являются погодные условия в период развития цветков, цветения и ранних стадий формирования семян у растений видов Salix, выпадающий в Саратовской области на апрель. В 2010-2011 гг. этот период характеризовался незначительным превышением среднемесячных температур над среднемноголетней нормой на 0.2-1.30С и относительно низким количеством атмосферных осадков (37-59% от среднемноголетней нормы). В апреле 2012 г. экстремально высокие температуры (отклонение от среднемноголетней нормы на 7.00С) сочетались с количеством осадков, более чем в 2 раза превышающих среднемноголетнюю норму. Это был самый экстремальный по погодным условиям апреля год из всех лет наблюдений.
В апреле 2013 г. превышение среднемесячной температуры над среднемноголетней нормой составило 3.00С, а количество осадков фактически соответствовало среднемноголетней норме.
Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. acutifolia
Как следует из данных, приведенных в таблице 3.4, растениям S. autifolia, S. сaprea, S. сinerea, S. rosmarinifolia, S. vinogradovii, S. dasyclados свойственно партенокарпическое образование плодов (плодообразование при отсутствии опыления), что для данных видов отмечено впервые и является дополнительным косвенным признаком способности к гаметофитному апомиксису).
Завязавшиеся в условиях изоляции плоды-коробочки были меньшего размера, чем развивавшиеся при свободном опылении, створки их были сильно закручены. Плоды имели светло-зеленый цвет, в отличие от полноценных зрелых светло-коричневых коробочек с семенами. Иногда партенокарпические коробочки оказывались пустыми, либо содержащими одноклеточные волоски, либо в них развивалось по одному – несколько недоразвитых щуплых семян.
Результаты анализа показали, что явление партенокарпии у видов Salix обладает ярко выраженной видоспецифичностью. Только 6 из 10 исследованных видов Salix со стабильной частотой образовывали бессемянные плоды при отсутствии опыления. Однако в популяциях этих видов в отдельные годы частота встречаемости соцветий с партенокарпическими плодами была нулевой - в популяции № 1 (2010 г.) и № 8 (2013 г.) S. acutifolia, а также популяции № 5 S. vinogradovii (2010 г.) и № 9 S. rosmarinifolia (2013 г.).
В среднем за годы исследования встречаемость соцветий с партенокарпическими плодами составила около 50 %, варьируя в диапазоне от 0 до 100% в 2010 и 2013 г., 30.43-61.54% - в 2011 г. и 37.04-88.89% - в 2012 г. Максимальные значения параметра отмечены в популяциях № 2 S.caprea и № 9 S. rosmarinifolia в 2010 г., № 33 S. viminalis S. cinerea - в 2013 г.
У растений остальных 4 видов (S. caspica, S. alba, S. fragilis, S. triandra) случаев формирования партенокарпических плодов не обнаружено. У растений этих видов вскоре после увядания рылец наблюдались либо остановка в развитии и опадение завязей, либо формирование полноценных плодов с семенами.
Как следует из таблицы 3.5, лишь у растений 4 (S. autifolia, S. сinerea, S. rosmarinifolia, S. vinogradovii) из 7 видов, для которых в работе однозначно показана способность к факультативному апомиксису в автономной форме, свойственна партенокарпия. У растений остальных трех видов, способных к автономному гаметофитному апомиксису (S. triandra, S. fragilis, S. caspica), способность к формированию партенокарпических плодов не выявлена. В то же время способность к партенокарпии обнаружена у одного из видов, для растений которого по результатам исследования не свойственен гаметофитный апомиксис (S. dasyclados). У растений второго вида, которому не свойственно формирование апомиктичных семян (S. alba) не свойственна и способность к формированию партенокарпических плодов. Все это говорит о слабой скор Таблица 3.5
В последние столетия территория Саратовской области подвергалась интенсивному и многофакторному антропогенному воздействию. Одним из важнейших проявлений этого воздействия является резкое увеличение площади антропогенных биотопов. К настоящему времени площадь антропогенных биотопов на территории Саратовской области превышает площадь естественных. Только под землями прямого сельскохозяйственного назначения находится 85% ее площади. В этих условиях на первый план выходит задача выяснения степени толерантности того или иного вида растений региона к антропогенному воздействию и способности его произрастать на антропогенных местообитаниях. На территории Саратовской области уже начата работа по выявлению степени антропотолерантности отдельных таксонов (Березуцкий, Павловский, 2009; Березуцкий и др., 2012). Однако в отношении подавляющей части таксонов растений региона такие исследования еще не проведены.
В настоящей работе мы приводим данные по видовому составу рода ива (Salix L.) на антропогенных местообитаниях Саратовской области. В литературе по флоре Саратовской области приведены очень скудные сведения по этому вопросу. В частности, в последнем по времени издания «Конспекте флоры Саратовской области» (Еленевский и др., 2008) указывается лишь, что ива козья (S. caprea L.) выращивается в лесополосах. Нужно учитывать, что ивы широко используются в народном хозяйстве и незаменимы для закрепления берегов рек, плотин, склонов (Керн, 1932), противопожарных посадок (Морозов, 1936, 1950), а в степном лесоразведении – для закрепления сыпучих песков. Представители рода также используются как кормовые, лекарственные растения, являются прекрасными медоносами, естественными дубителями, источником дешевой древесины (строевой и поделочный материал). Растения многих видов и гибридов рода Salix считаются перспективным объектом для создания биоэнергетических плантаций с целью последующего получения жидких или газообразных видов топлива (этанол, бутанол, биогаз) (Машкина и др., 2010), для производства тепловой и электрической энергии, прессованного твердого биотоплива (топливные гранулы и брикеты) (Энергетическая…, 2011; Фучило, 2013). Кроме того, некоторые виды ив довольно декоративны (Salix babylonica, S. alba, S. pentandra) и с успехом используются при озеленении городов и сел (Керн, 1932; Валягина–Малютина, 2004).
Семенная продуктивность в популяциях S. alba при различных режимах цветения
В целом выявленная существенная меж- и внутрипопуляционная изменчивость частоты апомиксиса у растений видов рода Salix вплоть до проявления его не во все годы и не во всех популяциях (таблица 3.1, 3.2) говорит о том, что для установления полной картины необходимо неоднократное изучение данного параметра в одной и той же популяции и исследование нескольких популяций одного и того же вида.
Показано, что абсолютное большинство семян видов Salix, завязавшихся как амфи–, так и апомиктичным путем, имеют способность к прорастанию, т.е. содержат жизнеспособный зародыш. Это подтверждает, что гаметофитный апомиксис у растений видов Salix реализуется как способ семенного воспроизводства.
Полученные результаты подтверждают мнение (Кашин и др., 2009) о том, что степень изученности широты распространения апомиксиса у цветковых существенно выше той, что представлена в современных сводках по этому вопросу (Asker, Jerling, 1992; Carman, 1995, 1997; Noyes, 2007).
Слабая скоррелированность у исследованных видов Salix способности к факультативному апомиксису и к формированию партенокарпических семян указывает на то, что способность к партенокарпии не всегда является косвенным признаком склонности к апомиктичному воспроизводству.
Среди исследованных видов обнаружена слабая корреляция между встречаемостью на антропогенных местообитаниях и способностью к гаметофитному апомиксису (таблица 3.6). Растения двух видов, проявляющие способность к гаметофитному апомиксису, не отмечены на антропогенных территориях (S. rosmarinifolia, S. caspica), в то время как растения двух видов, встречающихся на антропогенных территориях (S. dasyclados, S. alba), не проявляют способности к гаметофитному апомиксису.
Результаты проведенного изучения показали, что 7 из 10 исследованных видов Salix свойственен автономный гаметофитный апомиксис как способ семенного воспроизводства. Обращает на себя внимание существенная изменчивость способности к гаметофитному апомиксису у растений исследованных видов рода Salix, причем как на межвидовом, так и на внутривидовом уровнях.
У растений популяций S. acutifolia (8) и S. caspicа отмечена высокая завязываемость семян в условиях беспыльцевого режима цветении. Кроме того, апомиктичные семена завязались у растений еще 5 видов Salix: S. cinerea, S. fragilis, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia. Таким образом, популяции S. acutifolia, S. caprea, S. triandra, S. cinerea, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia, S. fragilis, S. caspica относятся к категории факультативно апомиктичных. При этом они характеризуются варьирующей выраженностью и частотой автономного апомиксиса на внутри– и межпопуляционном уровнях.
Виды S. dasyclados и S. alba по результатам исследования отнесены к облигатно амфимиктичным.
В целом все вышеизложенное указывает на то, что особенности биотопа или района произрастания в пределах области, а также условия года влияют на частоту встречаемости признаков гаметофитного апомиксиса у исследованных видов рода Salix.
В целом результаты цитоэмбриологических исследований подтвердили способность к гаметофитному апомиксису у подавляющего большинства видов, у которых она впервые была обнаружена в ходе исследования по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения. Это говорит в пользу того, что методика определения частоты апомиксиса по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения позволяет с высокой надежностью выявлять данный параметр в популяциях автономных апомиктов.
Основным цитоэмбриологическим признаком гаметофитного апомиксиса у растений видов рода Salix явилась апоспория. Максимальная частота встречаемости апоспорических инициалей отмечена на уровне 21%, минимальная – менее 1%. В среднем во всех популяциях видов Salix за период исследования встречаемость апоспорических инициалей составила 4–7%.
Частота встречаемости апоспорических клеток в семязачатке растений видов Salix отличалась существенной внутрипопуляционной динамикой. Абсолютное большинство апоспорических инициалей (более 50%) в семязачатках растений Salix локализовалась вблизи халазального полюса эуспорического мегагаметофита. Кроме того, апоспорические инициали отмечены с различной частотой на разных стадиях развития эуспорического мегагаметофита. При этом максимальная частота встречаемости апоспорических инициалей отмечена в семязачатках в присутствии 1–ядерного зародышевого мешка. Частота встречаемости апоспорических инициалей на разных стадиях развития мегагаметофита, а также характер их локализации в семязачатке отличается ярко выраженной видоспецифичностью.
Семенная продуктивность в условиях свободного цветения в популяциях варьировала в широких пределах (от 0.67 до 93%). Семенная продуктивность исследованных видов Salix при различных режимах цветения характеризуется существенной внутри– и межпопуляционной изменчивостью. Динамика изменчивости частоты гаметофитного апомиксиса в популяциях видов рода Salix показывает, что для установления способа семенного размножения у растений тех или иных популяций и видов зачастую недостаточно разового исследования в течение одного полевого сезона. Для получения достоверных результатов об особенностях системы семенного размножения в отношении способа семенной репродукции необходимы многократно повторяющиеся исследования в течение нескольких сезонов и в различных частях ареала вида.
Лимитирующим фактором, сказывающимся на частоте апомиксиса у растений исследованных видов, является среднемесячная температура воздуха в апреле: чем выше оказывается среднемесячная температура воздуха в этом месяце, тем в большей степени реализуется у растений апомиктичный способ воспроизводства. Резкое повышение температуры в первой половине месяца, вероятно, в еще большей степени усиливает реализацию апомиктичного способа воспроизводства у растений видов Salix.
Исследования позволили выявить, что растениям S. autifolia, S. сaprea, S. сinerea, S. rosmarinifolia, S. vinogradovii, S. dasyclados свойственно партенокарпическое образование плодов (плодообразование при отсутствии опыления), что для данных видов отмечено впервые. Также отмечена неспособность к партенокарпии у растений S. caspica, S. alba, S. fragilis, S. triandra.
В ходе достаточно локального исследования популяций 10 из 16 видов рода Salix в одной региональной флоре гаметофитный апомиксис впервые отмечен для 7 видов с указанием формы апомиксиса для каждого вида. Кроме того автономный факультативный апомиксис установлен и для одного межвидового гибрида.
![Анатомо-морфологические и биологические особенности нового растения для Астраханской области лофанта анисового : [Lophanthus anisatus L. (Benth.)]](/i/i/4326/380551.png "Анатомо-морфологические и биологические особенности нового растения для Астраханской области лофанта анисового : [Lophanthus anisatus L. (Benth.)] Абделаал Халед Абдель Дайем Абделазиз")
