Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ВЗГЛЯДОВ И КОНЦЕПЦИЙ НА ЭВОЛЮЦИЮ И КЛАССИФИКАЦИЮ ОРХИДНЫХ 27
1.1 Морфо-экологические особенности семейства Orchidaceae и пути его эволюционной специализации 27
1.1.1 Гипотезы происхождения орхидных 27
1.1.2 Различные взгляды на морфоструктуру гипотетических предков орхидных: противоречия филогенетических и молскулярно-генетнческих подходов 32
1.2 Три направления морфологической эволюции в семействе Orchidaceae 34
1.2.1 Энтомофильная линия эволюции орхидных 34
1.2.2 Микотрофная линия эволюции орхидных 38
1.2.3 Эпифитная линия эволюции орхидных 40
1.3 Классификация крупных систематических групп в семействе орхидных (исторический обзор и современное состояние) 44
ГЛАВА 2 КЛАССИФИКАЦИЯ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ТИПОВ ОРХИДНЫХ 49
2.1 Два типа метаморфоза в семействе орхидных 49
2.1.1 Голомстаморфоз - метаморфоз на уровне целого организма 51
2.1.2 Метаморфоз s.str. и аккомодация - морфологические преобразования на уровне части организма 52
2.1.3 Два этапа оитоморфогенеза у орхидных - протосомообразоваиие и
побегообразование 53
2.2 Архитектурные модели развития побеговых систем у орхидных 63
2.2.1 Архитектурная модель как частичная программа онтоморфогепеза орхидных 64
2.2.2 Тнпификацпя архитектурных моделей орхидных 64
2.2.3 Типы оитоморфогенеза у орхидных с разными архитектурными моделями 78
2.2.4 Группирование ЛМ орхидных по типу их оитоморфогенеза 81
2.3 Особенности биоморфологической классификации в семействе орхидных. 85
2.3.1 Пример выделения биоморф орхидных по некоторым характеристикам их побсговой системы в генеративном периоде онтогенеза 87
2.3.2 Основные критерии для выделения биоморф орхидных в условиях закрытого грунта 91
2.3.3 Метаморфа s. str. как основа биоморфологнческой классификации побеговых систем орхидных в генеративном периоде онтогенеза 98
2.3.4 Тип ветвления (аксиллярпое, экстрааксиллярпое, адвентивное) 106
2.3.5 Отношение к субстрату (для биоморф геофитных видов) 106
2.3.6 Схематическое изображение биоморф орхидных 107
2.4 Биоморфы орхидных в свете архитектурного моделирования 109
2.4.1 Биоморфы орхидных, развивающиеся по AM Tomlinson-1 109
2.4.2 Биоморфы орхидных, развивающиеся по AM Serebryakova 114
2.4.3 Биоморфы орхидных, развивающиеся по AM Smirnova 119
2.4.4 Биоморфы орхидных, развивающиеся no AM Seidenfaden 126
2.4.5 Биоморфы орхидных, развивающиеся по AM Holttum 128
2.4.6 Биоморфы орхидных, развивающиеся по AM Undley 131
2.4.7 Биоморфы орхидных, развивающиеся по AM Corner 134
2.4.8 Биоморфы орхидных, развивающиеся по AM Kumazawa 141
ГЛАВА 3 СТРЕССОВЫЕ БАРЬЕРЫ ПРИ АДАПТАЦИИ ТРОПИЧЕСКИХ ОРХИДНЫХ К УСЛОВИЯМ ЗАКРЫТОГО ГРУНТА 144
3.1 Критерии успешности адаптации тропических орхидных в оранжереи умеренной зоны 144
3.2 Этапы адаптации орхидных к условиям закрытого грунта как этапы преодоления «стрессовых барьеров» 147
3.3 Рхтественные и искусственные стрессоры в условиях закрытого грунта 150
3.4 Особенности адаптации тропических орхидных к оранжерейным условиям 152
3.4.1 Термопериодизм и температурный стресс при адаптации тропических орхидных к условиям закрытого грунта 154
3.4.2 Фотопериодизм в онтогенезе орхидных 157
3.4.3 Гнгропсриодизм и водный стресс у орхидных в оранжерейной культуре 158
3,4.4. Биотический стресс при адаптации орхидных к условиям закрытого грунта. 159
ГЛАВА 4 ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ АДАПТАЦИИ ОРХИДНЫХ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПЕРВОГО СТРЕССОВОГО БАРЬЕРА «ЕСТЕСТВЕННАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ - ОРАНЖЕРЕЯ» Ї60
4.1 Оценка феноритмов орхидных, переселенных из мест естественного произрастания в условия Фондовой оранжереи ГВС РАН 160
4.1.1 Особенности локализации тропических орхидных в природных биотопах горного массива By Куамг 160
4.1.2 Дифференциация спектров цветения орхидных из горного массива Бу Куанг в оранжерейных условиях 164
4.1.3 Адаптация орхидных к оранжерейным условиям: индукция цветения и синхронизация ритмов побегообразования 173
4.2 Трансформации биоморф тропических орхидных при преодолении первого стрессового барьера 178
4.2.1 Трансформации биоморф, развивающихся no AM Lindley 178
4.2.2 Модусы преобразований других AM орхидных 181
4.3 Фенотипические адаптации (аккомодации) орхидных при оранжерейном культивировании 182
4.3.1 Аккомодации корневищных участков побегов орхидных 183
4.3.2 Системы рситсрации у орхидных в оранжерейных условиях 184
4.3.3 Аккомодации корней эиифитных орхидных и их значение для эпифитизма и симбиоза 205
4.4 Биотические связи тропических орхидных в оранжерейной культуре 209
4.4.1 Оранжерейные грибы как ассоциативные, симбиотические и паразитические партнеры орхидных 210
4.4.2 Ассоциативные взаимоотношения орхидных с оранжерейными гетеротрофными и автотрофными бактериями 223
4.4.3 Комплекс консортивных партнеров и облигатпых паразитов орхидных и оранжерейных условиях 232
4.4.4 Специфические биотические стрессовые воздействия па орхидные, представленные разными AM 233
4.5 Оценка уровня адаптации орхидных при преодолении первого стрессового барьера 235
4.5.1 Адаптивные реакции биоморф тропических орхидных 235
4.5.2 Оценка интродукциошюй устойчивости тропических орхидных в условиях Фондовой оранжерее ГБС РАН 237
ГЛАВА 5 ОСОБЕННОСТИ ЛАТЕНТНОГО ПЕРИОДА В ОНТОГЕНЕЗЕ ОРХИДНЫХ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО СТРЕССОВЫХ БАРЬЕРОВ «ОРАНЖЕРЕЯ - КАМЕРА ХРАНЕНИЯ СЕМЯН - КУЛЬТИВАЦИОННЫЙ СОСУД» 242
5.1 Оценка уровня адаптации орхидных в Фондовой оранжерее ГБС РАН при преодолении второго стрессового барьера 242
5.2 Морфологические типы семенной кожуры 244
5.3 Корреляция между типами семян орхидных и их биоморфотипами 246
5.4 Способы хранения семян и протокормов орхидных 249
5.5 Криоустойчивость семян орхидных 251
5.6 Оптимизация сред и условий проращивания после крпосохранения семян 255
5.7 Предварительная оценка возможности введения в условия глубокого замораживания протокормов и протокормо-подобных тел орхидных 258
ГЛАВА 6 ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ АДАПТАЦИИ БИОМОРФ ОІ'ХИДНЬІХ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ТРЕТЬЕГО СТРЕССОВОГО БАРЬЕРА «КАМЕРА ХРАПЕНИЯ СЕМЯН - КУЛЬТИВАЦИОННЫЙ СОСУД» 260
6.1 Протосомообразование орхидных в культуре in vitro 260
6.1.1 Стадия развития протокорма 260
6.1.2 1 Іредпосьілки поливариантного протосомообразовапня у орхидных 261
6.1.3 Три типа нарастания протосом у орхидных 264
6.1.4 Поли вариантность протосомообразовапня в культуре І и vitro 275
6.1.5 Морфологические различия протосом при симбиотнческом и асимбиотическом прорастании 278
6.2 Побегообразование орхидных в культуре in vitro 281
6.2.1 Поливариантность развития ювепильпых корпепобегов орхидных 281
6.2.2 Покой ювенильных корнепобегов орхидных 284
6.2.3 Аномальное развитие говенильных корнепобегов у орхидных 285
6.3 Особенности симбиотического проращивания орхидных в культуре in vitro 291
6.3.1 Симбиоз орхидных и активного штамма бактерии Bacillus pumilus 293
6.3.2 Бактериальная симбиотическая культура как новый способ проращивания семян орхидных 294
6.4 Особенности адаптивных реакций биоморф тропических орхидных при преодолении третьего стрессового барьера 300
ГЛАВА 7 ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ АДАПТАЦИИ БИОМОРФ ОРХИДНЫХ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЧЕТВЕРТОГО СТРЕССОВОГО БАРЬЕРА «КУЛЬТИВАЦИОННЫЙ СОСУД - ОРАНЖЕРЕЯ» 302
7.1. Адаптация сеянцев орхидных к оранжерейным условиям 302
7.1.1. Адаптация сеянцев, не имеющих в культуре in vitro выраженных периодов покоя 304
7.1.2 Адаптация сеянцев, имеющих в культуре in vitro выраженные периоды покоя 305
7.2. Адаптация сеянцев, выращенных из крносохрапепных семян 307
7.3. Особенности адаптивных реакций тропических орхидных при преодолении четвертого стрессового барьера 311
7.4. Теоретическое обобщение некоторых результатов исследования 314
ВЫВОДЫ 318
Литература 321
Приложение. C.'innapi, основных морфологических терминов 375
- Морфо-экологические особенности семейства Orchidaceae и пути его эволюционной специализации
- Два типа метаморфоза в семействе орхидных
- Критерии успешности адаптации тропических орхидных в оранжереи умеренной зоны
- Оценка феноритмов орхидных, переселенных из мест естественного произрастания в условия Фондовой оранжереи ГВС РАН
- Оценка уровня адаптации орхидных в Фондовой оранжерее ГБС РАН при преодолении второго стрессового барьера
Введение к работе
Направлении и методы сохранения представителен семейства Orchidaceae Juss.
Семейство орхидных, одно из самых крупных и специализированных среди цветковых растений, является весьма уязвимым и плохо приспособленным к условиям глобального антропогенного прессинга. Наиболее негативными факторами антропогенного воздействия на орхидные явилось нарушение природных мест обитания; повышение рекреационной нагрузки, а также сбор диких растений в природе. Отрицательную роль сыграли и некоторые биотические факторы, влияние которых проявилось не прямо, а опосредованно, например, через уничтожение насекомых-опылителей или химические воздействия на грибы-симбионты.
Мировое сообщество начало предпринимать попытки и объединяться для сохранения редких и исчезающих видов орхидных как in situ, так и ex situ в начале XX века. Пионерами в этой области были американцы, которые еще в 1921 году при Американском Обществе Любителей Орхидей (AOS) создали Комиссию по охране орхидных (AOS Conservation Committee), призванную способствовать сохранению природных видов орхидных США, их местообитаний и отдельных популяций (Jesup, 1990). Затем подобные комитеты начали создаваться в странах Европы, Азии. Австралии.
Спустя десятилетия после начала этой природоохранной деятельности, можно констатировать, что максимально действенными направлениями работы по сохранению редких видов орхидных в природных местах обитания оказались следующие:
!) предотвращение гибели или нарушения природных мест обитания путем выделения территорий с заповедным режимом как на государственном, так и на региональном уровнях;
проведение специальных мероприятий, способствующих сохранению и восстановлению популяций орхидных (переселение популяций и отдельных особей из мест, находящихся под угрозой разрушения, периодическое сенокошение, рубки осветления и др.);
запрещение сбора и импорта растений из природных популяций;
разработка методов искусственного выращивания;
репатриация.
Третье из перечисленных направлений - запрещение импорта растении из природных популяций - стало особенно эффективным и приобрело международный статус после принятия «Конвенции о международной торговле видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой уничтожения» (Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora или CITES), известной также под именем Вашингтонской конвенции. Эта конвенция была принята в 1973 году и наряду с добровольпьши организациями, к ней присоединилось 134 государства, в том числе и Россия (с 1993 года). Уже в 1987 году были опубликованы ограничения, вводимые CITES па вывоз и торговлю природными видами орхидных, собранными в дикой природе. Было составлено три приложения, в которые были занесены 140000 видов флоры и фауны из разных районов Земного шара, причем некоторые семейства, в том числе и семейство орхидных, были включены туда полностью. В «Первое приложение CITES» вошли орхидные, торговля которыми с этого момента стала подчиняться строгому регулированию и могла быть дозволена только при исключительных обстоятельствах. Виды орхидных из «Первого приложения...» были полностью запрещены к вывозу и продаже как в виде взрослых растений, собранных в природе, так и в виде сеянцев и семян. Растения из «Второго приложения...» в настоящее время еще не исчезают, но находятся под угрозой исчезновения, сюда вошли все виды орхидных, распространенные по всему Земному шару.
Вначале в «Первое приложение...» вошло 10 видов орхидных, преимущественно из флор Центральной и Южной Америки, а также Юго-Восточной Азии. С 1990 года в «Первое приложение...» входят 102 вида орхидных (10 видов, составлявших «Первое приложение...» до 1990 г., 70 видов пафиопедилумов и 22 вида фрагмипедиумов) (CITES..., 1995, 1997, 2001). Из них в коллекции орхидных Фондовой оранжереи ГБС РАН в настоящее содержится 44 вида или 43% от общего числа видов, составляющих «Первое приложение CITES»,
В 1977 году Комиссия по сохранению видов (Species Survival Comission) из Международного Союза Охраны Природы или МСОН (International Union for the Concervation of Nature или IUCN) начала выпуск Красной Кпиш МСОП (IUCN Red List of Threatened Plants,), в которую вошло почти 34000 видов или 12,5% всех сосудистых растений Земного шара, находящихся под угрозой исчезновения. IUCN констатировала, что под угрозой уничтожения находится 1779 видов орхидных или 5,9% от 30000 видов, представленных в этом семействе (Lavarack et al., 2000).
В тропических странах картина исчезновения орхидных из мест естественного обитания выглядит удручающе. Например, в роде Dendrohium Sw., куда входит приблизительно 1200 видов эпифитпых и литофитных орхидных из Юго-Восточной Азии, Австралии и Океании, 74 вида (или 5,7%) находятся под угрозой исчезновения:
6 видов входят в категорию Endangered как исчезающие;
16 видов составляют категорию Vulnerable (с сильно истощенными природными популяциями) и являются реальными кандидатами для перехода в категорию Endangered ще условии сохранения угрожающих факторов;
31 вид входит в категорию Risk (редкие виды с маленькими популяциями;
20 видов входят в категорию Data Deficient как мало изученные (Lavarack ct al., 2001).
Самыми невосполнимыми являются таксоны, отнесенные к категории Extinct как исчезнувшие из дикой природы, поскольку при всесторонних исследованиях их мест обитания в соответствующие промежутки времени (ежедневно, сезонно, ежегодно) ОНИ ни разу не были найдены в течение длительного времени. Так, например, африканская наземная орхидея Eulophia biloba Schltr. была известна только по единственному образцу, найденному в 1895 г. близ быстро строившегося г. Бейра, который сегодня стал крупным промышленным центром на побережье Мозамбика. Единственное местообитание этого вида, скорее всего, было разрушено во время строительства. В качестве подобных примеров из «Красной Книги Южной Африки» можно привести орхидеи Dim brevipetala H.P.Linder, собранную лишь дважды в 1942 году, или llerschelianthe forcipata (Schltr.) Rausch., известную по единственному образцу, описанному в 1897 году и т.д. (Southern African Plant..., 2002).
Феномен полного исчезновения вида из природных мест обитания при сохранении его только в условиях культуры - не такая уж редкость в современных условиях. Эта шпродукционная особенность была отражена в IUCN (1994) в качестве особой категории Extinct in the Wild - таксон, исчезнувший в дикой природе, но сохранившийся в культуре или натурализованный за пределами ареала. Для тропических орхидных в качестве примера можно привести фаленопсис Целебесский (Phalaeiwpsis ceiebemis Sweet) -эндемичный вид с острова Сулавеси (Индонезия). Об экологии и распространении этого вида па Сулавеси до сих пор ничего не известно, так как типичный образец был доставлен в Америку в 1980 году без соответствующих характеристик. Однако впоследствии вид был размножен искусственно и сегодня широко известен в культуре.
Таким образом, наряду с мониторингом природных популяций редких и исчезающих видов и охраны их in situ, одной из превентивных мер охраны орхидных является их сохранение ex situ (см. Cribb, 1986; Johansen, Rasmusscn, 1992; Stewart, 1993; Puy, Bell, 1996; Андреев, Горбунов, 2000; Черевченко и др., 2000; Черевчепко, 2003; Буши, 2003; Демидов, Коломейцева, 2004; Черевчепко, Буюп, 2004; Культивирование орхидей..., 2005 и др.).
Интродукция тропических орхидных в закрытый грунт районов умеренных широт имеет свою специфику, связанную, прежде всего, с отсутствием условий для поддержания широкой генетической репрезентативности вида в установках искусственного климата вследствие больших энергетических затрат. Там, где этих ограничений пет, фондовые коллекции тропических растений могут реально представлять собой банки генетического биоразнообразия отдельного вида. Так, например, в коллекции ботанического сада г. Богор (Индонезия) до недавнего времени сохранялось 496 образцов BidbophyUum anceps, собранных во многих регионах Индонезии, на островах Калимантан, Суматра, Ява, Сулавсси, Бали и др.; 150 образцов Erki apporoides (Джексон, 2001).
Создание подобных живых генетических банков из генеративных растений орхидных - явление исключительное и мало распространенное, особенно в районах с экстремальными климатическими условиями, Тем не менее, отношение к живым коллекциям редких и исчезающих тропических видов орхидных, содержащихся в оранжереях ботанических садов умеренных зон, в последние годы пересматривается. Констатируется, что хотя такие коллекции обычно имеют узкий видовой генетический спектр, тем не менее, они могут служить ресурсами для банка генов редких и исчезающих в природе видов (Демидов, Коломейцева, 2004; Мнура, 2004, Черевчепко, Буїон, 2004). В современных условиях ограниченных возможностей для привлечения в коллекции закрытого фунта новых видов из природных мест обитания, наряду с задачей привлечения особое значение приобретает задача более стабильного сохранения уже имеющихся образцов.
Способами сохранения генофонда редких и эндемичных видов орхидных в условиях закрытого грунта, наряду с сохранением коллекций живых растений, сегодня становятся банки зародышевой плазмы в виде семян, меристем, пыльцы, культур клеток п другого генетического материала (Ito, 1965; Thornhill, Koopowitz, 1992; Тихонова, 1999а, б; Тихонова и др., 2001; Молканова, Горбунов, 2003; Демидов, Коломейцева, 2004; Попов и др., 2004; Культивирование орхидеи..., 2005 и др.). И, хотя
соответствующие технологии разработаны еще далеко не для всех видов орхидных, не вызывает сомнения, что полученные положительные результаты явятся новой ступенью для успешного размножения редких видов в искусственных условиях.
На этих исследованиях во многом основываются разработки новых методик долговременного сохранения семян орхидных при сверхнизких температурах (-196С) и создания банка таких семян (Никишина и др., 2001а, б; 2002; Попова, Коломейцева и др., 2001; Попова и др., 2001; 2003). Сегодня криобанки семян орхидных имеются в Австралии (Australian Orchid Foundation Seed and Protocorm Bank) и в Нидерландах (Holland Seed Bank) (Hick, 1999). Работы в этом направлении ведутся также в Америке (National Seed Storage Laboratory) и в России (на базе ГБС РАН и ИФР РАН) (Никишина н др.. 2001; Попова и др., 2003 и др.).
Современные технологии вполне позволяют создавать криобанки не только семян, но и протокормов и культуры клеток орхидных, но на этом поприще еще делаются только первые шаги (Попова, Коломейцева и др., 2003; Попов и др., 2004; Культивирование орхидей..., 2005). Эта задача становится еще более значимой, если поставить перед собой цель долговременной криоконсервации сорто-клопов, сохраняющих свой генотип только на соматическом уровне. Если сравнить количество природных видов орхидных (19,5 тыс. официально зарегистрированных видов и предположительно 10 тыс. видов, еще не описанных в природе) с количеством искусственно созданных гибридов (около 150 тыс. официально зарегистрированных таксонов) (Ципперт, 2005), то масштабность применения метода криосохрансішя культуры клеток может возрасти в десятки и сотни раз.
Наиболее сложной проблемой при выращивании орхидных ex situ является преодоление трудностей, зависящих от биотических взаимоотношений в природных местах обитания (энтомофилии, эпифитизма и симбиоза). Преодолевая зависимость от естественных консортивных связей, орхидеи переносят целый комплекс абиотических и бікпи'іеских стрессовых воздействий, как правило, исключенных а природных местах обитания (иные климатические режимы, несвойственная ориентация в пространстве, прорастание семян в асимбиотических условиях, длительное хранение семян при низких температурах и др.). Эти стрессовые воздействия способны существенно влиять на морфологические структуры орхидных, вызывая их трансформации на разных стадиях ошоморфогенеза.
Для того, чтобы оцепить пределы адаптационной способности орхидных в условиях закрытого грунта, а также попять, какие биоморфологичеекпе признаки являются
нормой, а какие - отклонением, необходимо иметь представление о дифференциации их развития под прессингом неизбежных стрессовых воздействий. Между тем, до сих пор не разработана общая биоморфологическая система орхидных, адекватно отражающая развитие их биоморф в динамике, не проведен сравнительный анализ видового состава коисортивных партнеров орхидных в естественных условиях и в культуре, и, наконец, не предложены варианты интродукциоиных работ, модифицированные для облигатных снмбнотрофов вообще, и для орхидных в частности.
Изложенные выше соображения обусловили цель работы - изучение адаптивных фенотипических реакций тропических орхидных па комплекс абиотических и биотических стрессовых воздействий, сопровождающих их интродукцию в условия закрытого грунта.
Выполнение поставленной цели потребовало решения ряда задач, таких как:
Разработка биоморфологической системы для оценки фенотипических реакций биоморф орхидных на комплекс стрессоров закрытого грунта с использованием методик архитектурного моделирования и биоморфологического анализа;
Выявление фенотипических особенностей биоморф орхидных на двух этапах их онтоморфогенеза - протосомообразования и побегообразования;
Анализ особенностей смены биотических партнеров тропических орхидных в условиях оранжерейного культивирования, выявление их способности к конгломерации и взаимному влиянию друг па друга;
Оценка эффективности различных методов размножения и сохранения орхидных ex situ, изучение возможности длительного храпения семян и протокормов в условиях глубокого замораживания;
Введение в методологию интродукции закрытого грунта понятия стрессовых барьеров.
Материал и меч оды
В отделе тропических и субтропических растений ГБС РАН собрана самая крупная в России коллекция природных видов орхидных из различных районов тропиков и субтропиков Земного шара. Изучением и пополнением этой коллекции мы начали заниматься с 1983 года. На первое сентября 2005 г. в коллекции Фондовой оранжереи
ГБС РАН содержалось 1159 природных видов, подвидов и форм орхидных, относящихся к 209 родам (Каталог..., 2001).
Интродукцию в условия закрытого грунта понимали как «научное направление в разработке методов привлечения растений для переноса их в повью... условия, для изучения реакции растений на изменившиеся факторы среды и аналитической оценки результатов испытания растений в несвойственных им... условиях» (Некрасов, 1980,с. 6). Интродукционные исследования проводили согласно методическим принципам интродукции растений в условия закрытого грунта (Переселение растений..., 2001).
Основными источниками пополнения коллекционного фонда орхидных в Фондовой оранжерее ГБС РАН были:
привлечение природных видов и подвидов из мест естественного распространения (Индия (1961), Коста-Рика (1963), Кения (1972), Маврикий, Мадагаскар, Маскарспские о-ва (1981), Куба (1982-1986), Бразилия (1986), Япония (1994), Сулавеси (1993), Калимантан (2002), Таиланд (1992-2004), Вьетнам (1982-2004) и др.);
привлечение сортов и культиваров из ботанических садов (Германия (1949-1984), Украина (1983-2004), Чехословакия (1986), Китай (2004) и др.);
привлечение сортов и культиваров из специализированных цветоводческих хозяйств Европы (Франция (Vacherot-Lecouffle, 1981-1982), ФРГ (Ilennis, 1984), Англия (Bitmham Nurseries, 1987), Нидерланды (Floricultura; Wubbcn Orchideen, 1994) и др.).
Основные способы пополнения коллекции орхидных включали интродукцию с помощью генеративных растений, семян, проростков и растений-регенераптов в культуре in vitro.
Все привозимые из экспедиций или из зарубежных хозяйств генеративные растения проходили обязательный двухлетний карантин.
Оценку возможностей интродукции в условия оранжереї! (приблизительную амплитуду климатических требований орхидных, а также сроки и параметры температурных перепадов в предфлоральной фазе) выявляли с помощью справочной литературы (Алисов, 1950, 1954; Фридлапд, 1961; Павлов, 1965; Климатический справочник зарубежной Азии, 1974; Климатический справочник..., 1975; Hamilton, 1990; Baker, Baker, 1996 и др.).
Определение растений проводили по таксономическим (Lindley, 1830-1840; Schlechter, 1915; Willis, 1973; Du Puy, Cribb, 1988; Christcnson, 2001 п др.) и региональным флористическим обработкам орхидных:
Юго-Восточной Азии (Holttum, 1953, 1964; Seidenfaden, 1968, 1971, 1977, 1978а, б, 1979, 1980; 1992, Seidenfaden, Smitinand, 1959; Seidenfaden, Wood, 1992; de Vogel, 1988; Аверьянов, 1986, 1988a, б, в, г, д, є, ж, 1989, 1991а, б, в, г, д, 1994, 1999, 2000а, б; Аверьянов, Аверьянова, 2000; Аверьянов, Гуси, 1989 а, б, 1990; Аверьянов, Лонг, 1989, 1990, 1991; Averianov 1990, 1999. 2000; Averianov el al., 2000; Clayton, 2002; Comber, 1990, 2001; Cootes, 2001 и др.);
Центральной и Южной Америки (Withner, 1987, 1990, 1996; McQueen, McQueen, 1993; Feldmann, Barre, 2001; Withner, Harding, 2004 и др.);
Африки и Мадагаскара (Beckman, 1981; Vermeulen, 1987; Croix, Croix, 1997 и
др.);
- Австралии (Lavarack, Gray, 1992 и др.);
- Европы (Davies et al., 1983; Prochazka, Velisek, 1983; Delforge, 1995 и др.).
Примененный в данном исследовании метод установления таксономической
принадлежности лесных тропических орхидей в стационарных условиях оранжерейного выращивания позволил подробно описать видовой состав и дать иитродукционную оценку орхидных из отдельных районов тропиков Юго-Восточной Азии (Коломейцева, Кузнецов, 1999,2002,2003).
За экспериментальными экземплярами вели фенологические наблюдения на протяжении 4-20 лет. Экспериментальные растения содержали в 4 оранжереях Фондовой оранжереи, где поддерживались разные температурные режимы (табл, 1).
Таблица I Температурные режимы для культивирования орхидных в условиях Фондовой
оранжереи ГБС РАН
Орхидные, привлеченные в культуру из горного массива By Куапг, содержали в оранжереях с «каттлейным» и «холодным» температури мм и режимами.
Методика полевых работ, общая характеристика и климат района исследований, а также материалы геоботанического обследования горного массива By Куапг изложены в материалах соответствующих сборников (Кузнецов, 2001; Коломейцева, Кузнецов, 2006). Климатическая характеристика по средним климатическим показателям приведена за период 5-лстних наблюдений по данным метеорологического пункта поселка Хыонг Кхс (Huong Khe), расположенного на равнине в 25 км на восток от национального парка By Куанг (Vu Quang) (табл. 2; рис. 1).
Таблица 2 Средние климатические показатели национального парка By Куанг (данные за 1992-
1997г.) (Кузнецов, 2001).
Осадки, мм -і 600
Т С -о—Осадки, мм
Рис. 1. Климадиаграмма для поселка Хыонг Кхе (Кузнецов, 2001)
Растения содержали в условиях естественной освещенности на широте Москвы (табл. 3). Естественная освещенность в Фондовой оранжерее ГБС РАН с октября но
январь (в течение четырех месяцев) составляла менее 1/50 от июльского полдня, иногда 600 люкс и меньше. Таким образом, третью часть года растения не получали даже того минимума, который был необходим для поддержания фотосинтетической активности, поскольку известно, что световой компенсационный пункт для теневыносливых растений наступает при 250-300 люкс, а для светолюбивых - при 800-2000 люкс (Шахова, 1980).
Таблица 3
Средняя освещенность в двенадцати стационарных точках на уровне стеллажей в оранжерее № 12 (данные за 2003 год) (люкс)
При отсутствии возможностей для обеспечения всех климатических характеристик, свойственных виду в его природных местах обитания, использовали метод управления периодом вынужденного покоя путем длительного сохранения растений в состоянии относительного зимнего покоя при уменьшении или полном прекращении полива (Журавлев, Герасимов, 1988; Коломейцева, Герасимов, 2005).
Методологической основой морфологической части работы явился сравнительно-морфологический метод в широком смысле (включающий сравнительно-анатомический и онтогенетический методы).
Фенотипические адаптации экспериментальных орхидных изучали на двух этапах онтоморфогенсза - этапе протосомоооразовапия и этапе побегообразования. К описанию этана побегообразования был применен метод архитектурного моделирования (Halle, Oldeman, Tomlinson, 1978), в котором морфологическая организация растений рассматривалась в динамике. Архитектурные модели рассматривали как морфологическую основу для выделения биоморф орхидных (Серебрякова, 1977; Серебрякова, Петухова, 1978; Борисова, 1991),
Голометаморфоз в онтоморфогенезе орхидных рассматривали как особый этап, па котором были сосредоточены процессы, сопровождающие превращение говепильного организма во взрослый организм с глубокой анатомической, морфологической и функциональной перестройкой.
Особенности фенотипической изменчивости протосом и побегов орхидных изучали с помощью традиционных методов морфологического сравнения с использованием световых микроскопов МБС-9 и МБР-1. Изучение начальных стадий онтогенеза орхидных проводили с использованием метода реконструкции индивидуального развития по разновозрастным особям из нескольких посевов.
Выделение периодов онтогенеза и возрастных состояний особей проводили по методикам Т.А.Работнова (1950) и И.Г.Серебрякова (1952). Вероятные пути филогенеза морфоструктур орхидных были рассмотрены с использованием эволюциопно-морфологического метода (см. Северцов, 1945; Шмальгаузен, 1968, 1982, 1983; Проявление приспособительных процессов..., 1981; Тахтаджян, 1998; Жмылев, 2003 и др.).
Под термином «стресс» понимали ответную реакцию организма на любые внешние воздействия (Сслье, 1932). Адаптационный синдром рассматривали как совокупность морфо-физиологических изменений, возникающих в организме при состоянии стресса (Реймерс, 1991; Глазко, Глазко, 2001).
Фепотипическую (онтогенетическую) адаптацию организма к естественным и искусственным стрессовым воздействиям закрытого грунта рассматривали как обратимый процесс приспособлений к среде на уровне особи и биоморфы.
Основная часть рисунков и фотографий, приведенных в работе, выполнена автором.
Технологические приемы проращивания семян орхидных в культуре in vitro иключали широкий спектр применяемых методик, в том числе:
методик'}! сбора и хранения семян (Тихонова, 1999а, б; Культивирование орхидей,.., 2005 и др.);
методики определения жизнеспособности и всхожести семян (Bowling, Thompson, 1972; Никишина и др., 2001а, б; 2003; Никишина и др., 2002; Попова и др., 2003 и др.);
методики асимбиотического и симбиотического проращивания семян (Arditti, 1982; Методические рекомендации..., 1982; Катаева, Бутенко, 1983; Черевчепко,
Кушнир, 1986; Залукаева, 1990в.; Никишина и др., 2001а, б; Коломейцева и др., 2002; Культивирование орхидей..., 2005 и др.). Способы проращивания и последующего содержания сеянцев в асептических условиях мы разделили на следующие приемы:
оптимизации предпосевной обработки (удаление ингибиторов из семенной кожуры или посев недозрелых семян);
оптимизации сред;
оптимизации содержания сеянцев в климакамере.
В качестве стандартной технологии проращивания семян орхидных в аснмбиотических условиях принимали посев зрелых семян со стерилизацией в растворе гипохлорнта натрия на стандартную среду Knudson-C с последующим содержанием сеянцев в климакамерах со стандартными режимами (табл. 4). Все прорастающие в этих условиях виды принимали за стандартно-прорастающие, а все не прорастающие - за специфично-прорастающие.
Таблица 4 Параметры стандартных условий проращивания семян орхидных
К стандартно-прорастающим видам мы отнесли орхидеи с типами семян Cymbidium, Dendrobium, Ellcanthus, Eulophya, МахШагіа, Stanhopca, Epidendrum, Plcurothallis, Vanda, а к специфично-прорастающим - виды с типами семян Blelia, Disa, Diuris, Eulophia, Galeola, Gastrodia, Goodyera, Limodorum, Newicdia, Orchis, Palmorchis, Vanilla (Коломейцева, 20056). Определение типов семян проводили по методике R.Dressier (1993).
Для преодоления ингибировапия прорастания семян орхидных использовали два основных приема:
посев недозрелых семян (Tsuchiya, 1954);
удаление ингибиторов (дубильных веществ, абсцизовой кислоты и др.) с помощью вымачивания зрелых семян в дистиллированной воде пли под воздействием активных химических растворов (например, слабых растворов кислот) (Куликов, Филиппов, 1998; Коновалова, Шевырева, 2005 и др.).
Посев недозрелых семян давал хорошие результаты при соответствующей степени развития зародыша, однако сроки жизнеспособности таких семян при стандартных способах хранения сильно уменьшались. Для предварительной оценки сроков созревания семян и сроков готовности эмбрионов к прорастанию использовали специальные таблицы (Sauleda, 1976; Arditti, Ernst, 1984; Культивирование орхидей..., 2005).
Одним из основных приемов оптимизации культуральных сред явился метод модификации по группам основных компонентов, в число которых входили макроэлементы, микроэлементы, гормоны, стимуляторы роста, витамины, биологические добавки, различные наполнители - отвердители и красители сред (агар-агар, активированный уголь и т.д.). Модификации также подвергались углеводные компоненты сред - целлюлоза, ди- или моносахара (Thomale, 1954; Залукаева, 1990в; Seaton, Ramsay, 2005), Были опробованы различные подходы к разработке новых и оптимизации уже применявшихся сред, в том числе и метод математического планирования эксперимента (Лаврентьева, 1985;Культип и др., 1995).
Для оптимального проращивания эпифитиых и наземных орхидей в бактериальной культуре (и содержания их там до момента перевода в оранжерейные условия) были поставлены и решены следующие задачи:
найдены и выделены штаммы бактерий, стимулирующих прорастание семян орхидных в культуре in vitro;
прослежены симбиотические отношения бактерий и орхидей в культуре in vitro;
выделены биологически активные вещества, стимулирующие прорастание орхидей и других высших растений в бактериальной симбиотической культуре.
Объектами исследований бактериальной симбиотической культуры послужили бактерия Bacillus pumilus и восемь видов орхидей, занимавших в природных местах обитания разные экологические ниши (наземные и эпифитные) и относящиеся к четырем разным подсемействам. Эпифитные орхидные были представлены пятью видами из родов Dendrobium Sw. и Cattlcya Lindl. (подсемейство Epidcndroidcac,) - Dendrobium crumenatum Sw., D. leonis (Lindl.) Rchb.f., D. moschatum (Willd.) Sw,, D. nobile Lindl,, (ми leyaforbesii Lindl
Dendrobium leonis, D, crumenatum и Caitleya for be sit - PS-эпифиты, растущие в условиях временного снабжения влагой и характеризующиеся СЛМ-мстаболизмом, а Dendrobium nobile и D. moschatum - CS-эпифиты, растущие в условиях регулярного увлажнения и характеризующиеся Сз метаболизмом.
Наземные орхидеи были представлены тремя видами из двух подсемейств. Это Paphiapedihim barbalum (Lindl.) Pfitz. из подсемейства Cypripedioideae, Ponlhieva racemosa R. Brown и Dactyhrhiza fuchsii (Druce) Soo из подсемейства Orchidoideae. Все эти виды, за исключением последнего, были привлечены в коллекцию Фондовой оранжереи ГБС РАН в разные годы.
Приемы оптимизации содержания сеянцев в климакамере включали в себя различные температурные режимы, режимы длительности и интенсивности освещения, соотнесение режимов климакамеры с естественными периодами покоя, оптимизацию культуральных сред на разных стадиях развития сеянцев, п т.д {Попова и др., 2001, 2003; Никишина и др. 2003 и др.).
Апатомо-морфологические методы использовали при изучении анатомического строения корней и особенностей их инфицирования оранжерейными грибами.
Срезы свежих тканей корней делали с помощью замораживающего микротома с термоохлаждающим столиком ТОС-2. Толщина срезов - 100-150 мкм. в зависимости от возраста корня. Микротомные срезы окрашивали раствором метиленового синего в лактофеполе и заключали в 50%-ный раствор глицерина па предметном стекле. Клетки тканей корня при этом окрашивались в голубой цвет различной интенсивности, а ядра и гифы грибов - в цвета от темно-синего до фиолетового.
Анатомические исследования проводили с помощью светового микроскопа «Ампливаль» (Австрия) с .микрофотографическим устройством. Строение эпивеламена корней изучали при помощи сканирующего электронного микроскопа «Джеол-У-З» после фиксации кусочков корней в жидком азоте, высушивания н напыления алюминием.
Особенности строения воздушных и субстратных корней экспериментальных видов орхидных изучали на поперечных срезах. Сравнительные анатомические исследования сопровождались количественным анализом основных анатомических элементов корня -всламена, экзодермы, коровой паренхимы, эндодермы и центрального цилиндра (Залукаева, 1990в, 1995).
Методики отбора растительных образцов н фрагментов субстрата для микробиологических исследований, а также методики содержания сеянцев орхидных в бактериальной симбпотической культуре подробно описаны в ряде соответствующих работ (Коломейцева и др. 2002, Цавкелова и др., 2003а, б; Цавкелова и др., 2005).
Микроскопические исследования по локализации микроорганизмов в корнях орхидных проводили при помощи светового микроскопа «Labrolux D» (Германия) и
сканирующего электронного микроскопа «Amray» (США). Для изучения в световом микроскопе использовали срезы неокрашенных корней и корней, фиксированно окрашенных по методу Стоутона (Основы микротехнических исследований..., 2000).
Для экспериментов по криосохранению использовали зрелые семена репродукции ГБС РАН. Они были собраны в разное время и до опытов по криосохранению хранились в холодильнике (в темноте и при температуре +4С) от 7 суток до 7 лет. Семена оценивали на жизнеспособность тетразольпым методом, основанным на восстановлении бесцветного раствора трифенилтетразолия хлорида (ТТХ) в формазане (Singh, 1981).
Контрольные семена стерилизовали 5%-иым раствором гипохлорита натрия в течение 5-Ю мин. с последующим отмыванием в стерильной дистиллированной воде и помещали в чашки Петри па питательную среду Кнудсона в модификации Черевчеико и Купшир (1986) с добавлением 1 мг/л кинетина и ОД мг/л ПУК (от 100 до 400 семян на образец)- Семена проращивали в течение 4 мес. В двух режимах: часть семян - в темноте при t = +25С ± 1С, другую часть - на свету при t = +24С ± 3"С, освещенности 2600-3000 люкс и длине светового дня 16 часов. Протокормы также делили на две части, одну из которых культивировали в темноте, а другую - па свету. Прорастание семян и рост проростков регистрировали с помощью микроскопа МБС-9, снабженного окулярной линейкой, позволяющей измерять объекты в микрометрах.
Замораживание семян проводили в пластиковых ампулах, непосредственно погружая их в жидкий азот. Оттаивали семена, погружая ампулы на 60 секунд в воду при температуре +37С. Контрольные и прошедшие криоконсервацию семена проращивали в чашках Петри на агаризованных средах Кнудсона (в модификации Черевчеико и Кушпир (1986)), Мурасиге-Скуга (в полной и половинной концентрациях), а также на жидких средах Мореля (Попова и др., 2001) и New Dogashima, модифицированной по макроэлементам и БАП. (Буров, Коломейцева и др., 2003). Определяли количество почкующихся протокормов, которое выражали в процентах к числу исходных, измеряли длину ювенильных корнепобегов и количество листьев.
Особенности адаптации сеянцев к оранжерейным условиям изучали на субстратах из мха сфагнума, молотой коры деревьев хвойных пород и гидрополимерного геля.
Достоверность различий опыт-контроль оценивали но критерию Стыодспта при Р=0,95.
Оснонпыс положения диссертации, выносимые на зашиту:
При интродукции в условия закрытого грунта тропические орхидные преодолевают несколько стрессовых барьеров, обусловленных не только резкой сменой климатических и эдафических факторов, но и нарушением природных биотических связей. В условиях оранжерейного культивирования орхидные нарабатывают новые биотические связи, которые включают широкий спектр нзаимоотношепий с грибами, бактериями и цианобактериями.
Морфологическое многообразие семейства орхидных проявляется в структуре и специализации побегов и корней, разнообразии типов онтогенеза и архитектурных моделей. В семействе орхидных впервые выявлена AM с чередующимися детерминированными и недетерминированными побегами (AM Smirnova). На примере этой AM описан новый тип образования терминального соцветия - коловантное соцветие.
Адаптационные синдромы биоморф тропических орхидных при преодолении стрессовых барьеров проявляются в лабильности их морфотипов на двух этапах онтоморфогенеза - протосомообразования и побегообразования. При семенном размножении в культуре in vitro тропические орхидные способны развивать побеговые системы, соответствующие не одной, а сразу нескольким архитектурным моделям.
Научная новизна работы:
Разработана оригинальная бшморфологическая система орхидных, включающая два этапа их онтоморфогенеза - протосомообразование и побегообразование.
Впервые развитие побеговьк систем орхидных рассмотрено с точки зрения соответствия различным архитектурным моделям (AM) F.IIaile, R.Oldeman, P.Tomlinson (1978). Описаны три оригинальных варианта AM орхидных (AM Lindley, AM Smirnova, AM Kumazawa).
У впервые описанной нами для травянистых многолетников AM с чередующимися детерминированными и недетерминированными побегами
(ЛМ Smirnova) выявлен новый тип образования терминального соцветия -коловантное соцветие.
Впервые показано, что при семенном размножении с культуре in vitro некоторые виды тропических орхидных могут развивать протосомы разных типов (с моноподиальиым, ложнодихотомичеекпм и симподнальным нарастанием), а также побеговые системы, соответствующие не одной, а сразу нескольким AM.
В методологию интродукции закрытого грунта введено понятие стрессовых барьеров.
Проведены оригинальные эксперименты по криоеохранению семян и протокормов тропических орхидных, впервые изучены особенности начальных стадий их онтогенеза после криосохранения в жидком азоте, показаны особенности развития растений, выращенных из крносохрапенных семян в культуре in vitro и в оранжерейной культуре вплоть до генеративного возрастного состояния.
Показано, что филогенетические построения внутри семейства орхидных, наряду со специализацией побегов, должны также учитывать морфологическую и функциональную специализацию их протосом.
Выявлены особенности смены биотических партнеров тропических орхидных в условиях оранжерейного культивирования, их способность к конгломерации и взаимному влиянию друг на друга.
Разработана оригинальная методика проращивания семян орхидных в бактериальной симбиотической культуре.
В условиях закрытого грунта у орхидных впервые выявлена консортивная структура «чехол-оболочка», аналоги которой не известны о естественной среде обитания.
Практическая значимость
Результаты исследований создают необходимую основу для работ по сохранению бноразпообразия орхидных ex situ: планированию и реализации природоохранных мероприятий, интродукции и реинтродукции, селекции, размножению в целях хозяГютвепиого использования. Полученные результаты экспериментов по криоеохранению семян и протокормов позволяют создавать банки долговременного
хранения и использовать сохраненный генетический материал для нужд интродукции, реиптродукции, селекции, генной инженерии. Выделены и определены штаммы грибов, бактерий и цианобактерий, вступающих в копсортивные взаимоотношения с орхидными і! оранжерейных условиях и в природе; штаммы симбиотпчески активных грибов и бактерий помещены на депонирование для дальнейшего использования. Коллекция живых тропических и субтропических орхидных, собранная и сохраняемая в условиях Фондовой оранжереи ГБС РАН, служит для проведения научных исследований, является объектом просветительской деятельности.
Апробация
Основные положения и материалы диссертации были доложены и обсуждены на III международной конференции «Регуляторы роста и развития растений» (Москва, 1995); Международной научной конференции «Охорона і культивування орхідей» (Київ, 1999); IV Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2001); Международной научной конференции «Ботанические сады: состояние и перспективы сохранения, изучения, использования биоразпообразия растительного мира» (Минск, 2002); научной конференции МСХА им К.А.Тимирязева (Москва, 2002); Международном совещании по филогении растений (Москва, МГУ, 2003); конференции «Физиология растений и экология на рубеже веков» (Ярославль, 2003); научной конференции к 290-летию Ботанического сада БИН (Санкт-Петербург, 2003); Международной научной конференции «Охрана и культивирование орхидей» (Харьков, 2003); XVII совещании «Криоконсервация генетических ресурсов» (Пущино, 2002); X школе по теоретической морфологии растений (Киров, 2004); Международной научной конференции «Охрана редких видов растений: проблемы и перспективы» (Харьков, 2004); Международной конференции «Сохранение генетических ресурсов» (Санкт-Петербург, 2004); ученых советах ГБС РАН.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 65 научных работ включая три коллективные монографии, 23 статьи в реценз'' _, емых научных журналах и патент па изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 377 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа проиллюстрирована 64 рисунками п 75 таблицами. Список литературы содержит 781 название, в том числе 430 па иностранных языках.
Благодарности
Настоящая работа была бы неосуществима без поддержки и помощи моих родственников, друзей и коллег, которым я выражаю огромную благодарность.
Прежде всего, это моя семья - муж и родители, которые, взяв на себя большую часть домашних забот, помогли мне сосредоточиться па научной работе, а также мои друзья - Андрей и Светлана Кузнецовы, которые в течение последних 15 лет помогали мне осуществлять непростую интродукционную работу.
Основная работа над диссертацией проводилась на базе Фондовой оранжереи Главного ботанического сада им. Н.В.Циципа РАН, и я благодарна всем помогавшим мне сотрудникам, но в особенности Т.Н.Максаковой и Т.А.Лукьяновой, которые, несмотря на острую нехватку рабочих рук, самоотверженно ухаживали за коллекцией орхидных все три года моего пребывания в докторантуре.
Особую признательность хочу выразить своему научному консультанту, доктору биологических наук, профессору Б.Н.Головкину, который является для меня образцом ученого, обладающего поистине энциклопедическими ботаническими познаниями.
От всей души благодарю своих коллег и соавторов из различных научных институтов России и Украины. Это член-корреспондент ПАП Украины Т.М.Черевчепко (ЦРБС ПАП), доктора биологических паук А.С.Демидов (ГБС РАН) и А.С.Попов (ИФР РАН), кандидаты биологических наук А.Н.Кузнецов (ИПЭЭ РАН), М.Г.Вахрамесва, Е.А.Цавкелова (МГУ), И.В.Татаренко (МПГУ), Т.В.Пикншипа (ИФР РАН), А.И.Широков (Нижегородский госуниверситст), Л.И.Буюн, А.Н.Лаврентьева (ЦРБС ПАН Украины), А.А.Алехин (Ботанический сад харьковского национального университета, Украина), Д.Л.Матюхин (Сельскохозяйственная академия им. К.А.Тимирязева), аспиранты Е.В.Попова (ИФР РАН), А.В.Буров (Нижегородский госуниверситст), а также мои бывшие студенты-дипломники Н.Е.Малииа и Е.М.Гусев.
Без их теплой поддержки, ценных советов, заинтересованности в проводимых совместных экспериментах эта работа не могла бы быть написана.
От всей души благодарю М.САлександрову, опекавшую меня во время пребывания в докторантуре.
Хочу также выразить благодарность всем сотрудникам научной библиотеки ГБС РАН, и в особенности С.А.Видаиовой и Н.Н.Смирновоіі, помощь которых, незаметную со стороны, но, в конечном счете, определяющую успех написания любой научной работы, я бесконечно ценю.
Последние три года оказались особым периодом в моей жизни, наполненным чтением, размышлениями, экспериментами и дискуссиями. Поэтому я хочу выразить благодарность членам ученого совета ГБС им. Н.В.Цицина РАН за то, что они оказали мне доверие и приняли в докторантуру.
Морфо-экологические особенности семейства Orchidaceae и пути его эволюционной специализации
За последние несколько лет, в связи с прогрессом в области молекулярной биологии, представления об эволюции в семействе Orchidaceac Juss. в значительной степени изменились. Современные представления об анцестральных формах орхидных увеличивают их возраст (древность происхождения) и связывают продвипутость некоторых черт семейства с последними этапами относительно краткой активной эволюции (Chase, 2001).
Появление и формирование анцестральных орхидных некоторые исследователи связывают с южной частью Катазийской подобласти Средиземногорной области Лавраиш и относят к концу мезозойской эры (Аверьянов, 1991). Другие ученые считают местом происхождения первичных орхидных Гондвану и отодвигают их появление к началу или к середине мезозойской эры (160-140 млн. лет до нашей эры) (Lavarack el al., 2000) (табл. 5).
Невозможность предъявления непосредственных доказательств времени появления орхидных (например, наиболее достоверные палеонтологические находки ископаемых предков орхидных относятся к миоцену третичного периода кайнозойской эры, т.е. 20-10 млн. лет до нашей эры (Schmid, Schmid, 1977)) и возможности пролить свет на происхождение и самые ранние стадии эволюции этого семейства, обусловило появление множества теоретических построений, основанных па филогенетических, биогсографических, коэволюционных и молекулярно-генетических методиках.
P.S.Ilerendeen и P.R.Cranc (1995) сделали обзор по самым последним представлениям об ископаемой истории однодольных, объединив более ранние и современные взгляды па эволюцию семейства Orchidaceac Среди ученых имеются сторонники происхождения орхидных от общих предков с Asparagales, Dioscorcalcs, Liliales, Pandanales (Dressier, 1981; Rasmussen, 1985; Аверьянов, 1991), а также от коммелиновых (Arecales, Commeiinales, Poales, Zingiberales,) (Vcrmeulen , 1966). В обзоре M.Chasc (2001) были прослежены родственные связи основных гипотетических групп предков орхидных, основанные на сравнении трех генов (двух пластидой и одного ядра), которые показали, что орхидные тесно связаны с порядками Asparagales (Asteliaceae DumortierJ, Amaryllidales (Blandfordiaceae Dahlgren et Clifford, Asphodclaceae Juss.), Haemodorales (Hypoxidaccae R. Brown), Liliales (Tecophilaeaceae Leybold). Эго подтверждает взгляды, высказанные ранее J.Hutchinson (1973) и АЛ.Тахтаджяном (Тахтаджян, 1954, 1964, 1987), которые считали, что с орхидными тесно связаны и такие семейства, как Doryanlhaceae Dahlgren et Clifford, Iridaceae Juss., Ixioliriaceae Nakai. Если предположить, что орхидные, которые особенно близко стоят к перечисленным группам однодольных, произошли одновременно с ними, то они также должны были эволюционировать еще во время существования Гопдвапы.
Современные исследования, основанные на использовании молекулярпо-генетнческих методов (Chase, 2001), свидетельствуют о том, что орхидные (как и другие представители надпорядка Lilianae) - группа с достаточно резкими реликтовыми чертами строения и распространения. Так, некоторые авторы (Lavarack ct al., 2000) считают вероятным местом происхождения предков орхидных древнейшие платформы, ставшие впоследствии территорией Африканского континента. Время обособления орхидных от других однодольных растений они отнесли к концу Юрского и началу Мелового периода, а вероятные сроки расселения по всей Гондване (включая территории будущих Африки и Южной Америки) - к середине Мелового периода (140 - 120 млн. лет до н. э.). Согласно этой теории, в середине Мелового периода (100-80 млн. лет до н. э.), когда от Гопдваны откололись плиты с современными территориями Индии, Новой Каледонии и Новой Зеландии, на них обособилась часть орхидной флоры, Еще через 20 млн. лет (т.е. 60 млн. лет до п. э.) от Гопдваны отделились Африка и начала отделяться Южная Америка, а еще через 10 млн. лет оставшаяся часть древнего материка распалась па Австралию, Антарктиду и Южную Америку. С этого времени орхидная флора Южной Америки, Африки, Индии, Новой Каледонии и Австралии начала развиваться обособленно, по разным эволюционным линиям. Когда 40 млн. лет назад Индия сошлась с Азией, образовав в месте контакта Гималаи, орхидные подверглись взрывной эволюции в Лавразии, поскольку диапазон высот Гималаев предоставил им возможность занять новые экологические пиши. Еще позже (20-15 млн. лет до н. э.) Австралия и Лавразия начали совместно формировать Новую Гвинею с тёплым и влажным климатом, при этом лавразийские эпифитные и наземные орхидные стали перемещаться к Австралии и Новой Гвинее, а менее специализированные австралийские наземные орхидные начали перемещаться в Лавразию. Около 15 млн. лет назад климат стал нестабильным, резко меняясь от влажного к сухому или от жаркого к резко континентальному, причем не только в Австралии, по и в Малезии и в Новой Гвинее, где орхидные были вынуждены преодолевать эти климатические барьеры или вымирать. Так ранние иммигранты в Австралию и Новую Каледонию обособились в эндемичные группы (Chase, 2001).
Два типа метаморфоза в семействе орхидных
Семейство орхидных является более сложным морфологическим объектом, чем большинство других травянистых растений, поскольку большая его часть (около 70% эпифитов) не привязана к горизонтально расположенному земельному субстрату, характеризуется наличием в онтоморфогепезе голометаморфоза, имеет специфический этап развития (этап протосомообразования) и т.д. Предложенные ранее биоморфологические системы орхидных не учитывали этих особенностей (Смирнова, 1990).
Благодаря своим биотическим связям (эпифитизму, симбиозу, энтомофилии) представители семейства орхидных имеют ряд морфологических характеристик, которые в значительной степени отличают их от большинства других травянистых растений. Например, вполне справедливым является утверждение, что эпифитные орхидеи, несущие свои почки высоко над поверхностью земли, согласно биоморфологической классификации C.Raunkiaer (1934), относятся к фанерофитам (Dierschke, 1994; Коломейцева, 2004). Описывая биоморфы эпифитных орхидных часто невозможно использовать такие общепринятые биоморфологические критерии, как направление и сезонность роста, длина метамеров корневищного участка побега, локализация почек возобновления и др. (Коломейцева, 2003).
Термин «метаморфоз», введенный I.V.Goethe (1790; пит. по: Гете, 1957), ботаники употребляли неоднозначно. Его использовали не только для обозначения процесса глубоких преобразований в ходе онтогенеза (Барыкина, Гуленкова, 1990), по и для обозначения результатов преобразований отдельных органов в специализированные структуры в связи с переменой их функций (см. Ботаника. Анатомия..., 1978; Словарь ботанических терминов, 1984; Рсймерс, 1990; Игнатьева, Андреева. 1991, 1993; Лотова, 2001). В настоящем исследовании мы также были вынуждены рассматривать термин «метаморфоз» двояко. С одной стороны, мы рассматривали метаморфоз в качестве особого процесса в онтоморфогенезе организма, связанного с глубокими и резкими функциональными, морфологическими и анатомическими преобразованиями особи на определенном этапе её развития, обусловленными изменением типа метаболизма, полярности и др. (Тсрсхин, 1977; Батыгина, Шевцова, 1985; Шевцова, 1986; Залукасва, 1990в). С другой стороны, метаморфозами также считали любые процессы морфологических и анатомических изменений органов (стеблей, листьев, корней), связанные с изменением их функций в процессе онтогенетического и филогенетического развития (Лотова, 2001 и др.).
Подобные проблемы уже рассматривались Е.Л.Пухпмовским (2002), а еще ранее ІІ.Ф.Реіімерсом (1991). Авторы различали:
- метаморфоз как процесс, сопровождающий превращение говспильного организма во взрослый организм с глубокой анатомической, морфологической и функциональной перестройкой;
- метаморфоз как результат видоизменения основных органов растения в связи с переменой их функций.
П.Рейви и др. (1990) предпочли заменить термин «метаморфоз» па термин «модификация», а ЕЛ.Нухимовского (2002) предложил использовать два термина -наряду с термином «метаморфоз», обозначающим процесс видоизменения органов, он использовал термин «метаморфа» как результат этого процесса.
Е.Л.Нухимовский (2002), подробно проанализировав различные аспекты проблемы метаморфозов растительных организмов, показал, что метаморфозы - не сравнительные изменения одних органов (атипичных, метаморфизированных) по сравнению с другими (типичными, неметаморфизированиыми), а составная часть морфогенеза организма, одна из всеобщих форм его трансформации в онтогенезе и филогенезе. Разделяя метаморфоз на процесс и результат, он показал, что понятие «метаморфоз» у растительных организмов необходимо рассматривать как процесс трансформации в организации бпоморфы, а понятие «метаморфа» - как результат метаморфоза, выраженный в модификации целого органа или его части. Мстаморфизироваинос развитие всех живых организмов, по мнению Е.Л.Нухимовского, можно считать всеобщим эволюционным проявлением, являющимся процессом глобального филогенетического масштаба и выражающимся в постоянном изменении биоморф или их составных частей.
Первый тип метаморфоза (по Н.Ф.Реймерсу (1991) - голометаморфоз; по Е.Л.Нухимовекому (2002) - метаморфозиый синдром) свойственен большинству представителей семейства орхидных. Он выражается в смене мопополярпой организации протосомы биполярной организацией ювепилыюго корнепобега (ісорпепобегов), а также в изменении типа метаболизма у фотофильных видов (гетеротрофный тип метаболизма изменяется на автотрофный тип метаболизма) (Терехнп, Никнтнчсва, 1968; Терехнп, 1977; Шевцова, 1986; Залукаева, 1990в).
Критерии успешности адаптации тропических орхидных в оранжереи умеренной зоны
Разработке методологии интродукции тропических растении в условия закрытого грунта было посвящено значительно меньше исследований, чем того требуют реалии сегодняшнего дня (Демидов, 1978, 1980, 1994а, б, 1999; Коровин, Демидов, 1978, 1981; Головкин, 1981; Демидов, Коровин, 1987; Кармишипа, 1988; Горпицкая, 1992, 1995). В то же время, в современных условиях безвозвратного вымирания редких, лекарственных, хозяйственно ценных тропических растений под действием антропогенного фактора, любые способы сохранения генофонда становятся действенными, и установки искусственного климата в дальнейшем могут оказаться единственными банками утерянного в природе живого генетического материала (Демидов, Коломейцева, 2004; Черевчепко, Буюн, 2004).
При определенной общности методических принципов (переселение растений за пределы их природного ареала на основе общих природных адаптационных биоэкологических закономерностей) и сходстве задач (привлечение в культуру новых полезных растений), интродукция растений в условия закрытого грунта имеет ряд существенных особенностей, связанных со спецификой новых местообитаний, характеризующихся искусственными режимами (Переселение растений..., 2001).
С нашей точки зрения, критерии успешности интродукции растений в условия закрытого грунта, прежде всего, определяются целями исследовании, которые могут быть суженными (вследствие ограниченных возможностей оранжерейного культивирования), или, наоборот, существенно расширенными (при использовании наряду с оранжереями и климатронами других установок искусственного климата).
Предметом интродукции тропических растений в оранжерейные условия являются, как правило, не гетерогенные популяции, а отдельные особи или клоны. А поскольку реальная интродукция вида зависит от семенного воспроизводства (способности образовать гетерогенную популяцию) и от естественного отбора, содействующего закреплению свойств и признаков, в оранжерейных условиях не всегда возможно обеспечить реальную гепотипическую адаптацию. Некоторые растения в оранжерейных условиях в течение десятков лет пе вступают в пору половой зрелости, нс дают семенного потомства, но погибают лишь во время экстремальных ситуаций (например, при отключении отопления зимой).
Как энтомофильные растения, орхидеи в искусственных оранжерейных условиях почти никогда не дают самосева естественным образом (за исключением автоопыляемых видов, семена которых способны вступить в симбиоз с оранжерейными грибами). Поэтому как бы тщательно ни были выявлены и соотнесены климатические режимы естественных мест обитания и оранжереи на этапе определения возможностей интродукции, добиться получения семенного потомства от большинства видов орхидных при оранжерейном содержании не представляется возможным. В то же время, если расширить рамки понятия «условия закрытого грунта», включив в пего не только оранжерейное выращивание, но и культивирование в других условиях (климакамерах, камерах храпения семян, культивационных сосудах и т. д.), то результаты оценки уровня адаптации орхидных могут стать существенно выше.
И.П.Горпицкая (1992) рассматривала интродукцию тропических и субтропических растений как двухэтапный процесс, учитывающий состояние растений в оранжерейной культуре и в интерьере. Мы, в свою очередь, считаем, что наличие особых коисортивных отношений в семействе Orchidaceae существенно расширяет понятие «интродукция в условия закрытого грунта». Особенности биологии этой группы растений предполагают рассмотрение их адаптивных реакций пе только в условиях оранжерей и климатронов. по и н других установках искусственного климата (климакамерах. камерах хранения семян, культивационных сосудах и т. д.). На этапе выбора объектов интродукции помимо выявления климатических режимов существенное значение имеет изучение коисортивных связей орхидных, таких, как эпифитизм, энтомофилия и симбиоз.
Экспериментальными этапами интродукциошюго процесса можно считать привлечение исходного материала, адаптацию и интродукционпую оценку уровней адаптации (Переселение растений..., 2001).
В процессе работы нами были освоены па практике следующие основные способы привлечения тропических орхидных в условия закрытого грунта:
- с помощью генеративных растений, собранных в природе или полученных по обмену между ботаническими садами;
- с помощью семян (свежесобранных или предварительно сохраняемых в климакамере);
- с помощью проростков, а также растений-регенерантов, выращенных в культуре in vitro.
Оценка феноритмов орхидных, переселенных из мест естественного произрастания в условия Фондовой оранжереи ГВС РАН
Имеется целый спектр разнообразных сочетаний климатических факторов, к которым процессы роста и развития растений приспособились в ходе эволюции и наследственно закрепились в виде адаптивных реакций в онтогенезе, и они не одинаковы не только в разных климатических зонах Земли, но и внутри одного биотопа (см. Малеев, 1933; Аврорин, 1967; Некрасов, 1980; Мазуренко, 1986; Миркин и др., 2002 и др.).
В качестве примера фенотипических адаптации у орхидных могут служить данные многолетних фенологических наблюдений за растениями собранными в общем климатическом районе тропиков Юго-Восточной Азии (горный массив By Куанг (Центральный Вьетнам) и переселенных в условия Фондовой оранжереи ГБС РАН за период с 1982 по 2004 год.
В лесах горных массивов Вьетнама в целом, и горного массива By Куанг а частности, как показали многолетние экспедиционные исследования (Кузнецов, 2001а, б), эппфитные и наземные орхидные представлены широким таксономическим разнообразием и большим числом особей. Для эпифитных орхидеи субстратом служат стволы и ветви крон деревьев, для литофитных орхидей - камни, скальные выходы и даже почва, их локализация зависит от микроклимата конкретного участка территории.
В горном и высокогорном поясах многие виды орхидных перемещаются вдоль вертикальных субстратов (стволов, ветвей, отвесных скал и т.д.) или переходят па горизонтальный земельный субстрат. Значительные скопления эпифитов утяжеляют ветви деревьев, в результате чего они обламываются, а орхидеи оказываются на поверхности почвы, где продолжают дальнейшее нормальное развитие. По-другому ведут себя эпифитные и литофитные орхидные в равнинных лесах предгорного пояса -здесь упавшие па землю растения, как правило, неизбежно погибают в течение 2-3 лет.
Эпнфитные орхидеи высокоствольных лесов, распространенных па равнинных участках и имеющих сложную четырсх-пяти уровневую структуру древостоя, распределяются в древесном пологе согласно градиенту освещенности и влажности воздуха. В связи с тем, что освещенность с продвижением к верхнему подъярусу нарастает постепенно, в лесном пологе установилась определенная поясность в распределении различных видов эпифитов, и в частности представителей орхидной флоры (Кузнецов, 2004). В равнинных лесах орхидеи не образуют мощных скоплений па ветвях деревьев. Здесь только периодически встречаются крупные экземпляры долгояшвущих орхидей, таких как Cymbidium aloifolium (L.) Svv.
Большинство орхидных растут в условиях с высокой влажностью воздуха, поэтому орхидиая флора более обильна в древостоях среднегорного пояса, сформировавшихся в условиях ветровой тени, то есть на территориях, закрытых от господствующих ветров преобладающими по высоте хребтами. Такие условия складываются в нижней части склонов, в ущельях, в межгорных долинах и котловинах. Па продуваемых хребтах и наветренных склонах эпифитпые орхидные отмечались редко, в то же время здесь возрастало число видов, ведущих наземный образ жизни.
При формировании моховых скоплений или подушек на ветках деревьев туманных лесов видовое разнообразие орхидных убывает, зато возрастает общее количество растений отдельных бриофильных видов, адаптированных к произрастанию совместно со мхами.
Наземные и литофитные орхидные поселяются в таких влажных местах обитания, как берега постоянных водотоков, участки с локальными выходами на поверхность подземных вод. При этом растения предпочитают рыхлый земельный субстрат, реже встречаются на плоской поверхности крупных камней, где накапливается растительная органика. Орхидные поселяются и на боковых поверхностях камней, находящихся вблизи от постоянно текущей воды, в частности, у водопадов, в зоне мелко-капельного орошения. На камнях, постоянно покрытых пленкой воды, орхидеи никогда отмечены не были. В горном поясе па экранированных пологих склонах наземные орхидеи нередко являются фоновыми растениями. Афотофильные облигатно-мпкотрофные орхидные, как правило, развивают соцветия в начале влажного сезона, они появляются над поверхностью почвы на непродолжительное время.
Примеры распределения наземных и эпифитных орхидных (включая литофиты) по высотным растительным поясам в горном массиве By Куапг (хребет Чыоиг Шоп) приведены в таблице 24.
Оценка уровня адаптации орхидных в Фондовой оранжерее ГБС РАН при преодолении второго стрессового барьера
Полный цикл онтогенеза «от семени до семени» в условиях Фондовой оранжереи ГБС РАН в настоящее время проходит ограниченное число видов орхидных. В основном это фотофильлые корнеотпрысковые виды из подсемейства Orchidoideae и вторично-наземные виды из подсемейства Epidendroideae, которые благодаря отсутствию зависимости от опылителя (автоопылению) и симбиозу с населяющими оранжерею микроорганизмами (грибами и бактериями) размножаются самосевом и дают полноценные проростки. В условиях Фондовой оранжереи ГБС РАН это Calanthe sylvatica (Thou.) Lindl., Eria Ьоп шпа (Gagnep.) Tang & Wang, E. corneri Rchb.f. (AM Lindley), Malaxis latifolia J.E.Stn. (AM Serebryakova), Ponthicva racemosa (Walter) Mohr. (AM ITolttiim.) или 0,5% от общего числа интродуцированных видов.
Автоопылясмые виды, семена которых вступают в симбиоз с оранжерейными грибами и прорастают самостоятельно - редкий пример успешной адаптации тропических орхидных в условиях оранжереи. Обсеменяясь и прорастая при помощи оранжерейных грибов, они не нуждаются в создании других искусственных систем для семенного воспроизводства.
Отсутствие плодоношения у орхидных, преодолевших первый стрессовый барьер (естественное местообитание - оранжерея) связано с факторами, лимитирующими цветение (климатическими, эдафическими) и опыление (генетическим полиморфизмом по степени перекрестноопыляемости и отсутствием естественных опылителей).
С помощью искусственного опыления полноценные семена в условиях культуры способны завязать автогамные, гейтопогамные и ксеногамиые виды орхидных, представленные в коллекции несколькими особями различного происхождения. Виды, по разным причинам (генетическим, индукционным и др.) не способные к репродукции в условиях закрытого грунта, не способны преодолеть второй стрессовый барьер.
Воспринимается ли какое-либо воздействие во время хранения семян как стресс, зависит не только от гомеостаза семени, но и от интенсивности любых внешних воздействий, которые способны вызвать биологический стресс. Наиболее наглядно ответные реакции при прорастании семян могут проявиться под действием таких экстремальных воздействий, как введение в условия криосохранения. Проявление адаптационных синдромов (то есть совокупности изменений, возникающих в организме при стрессе) при различных способах хранения семян орхидных можно представить следующим образом (табл. 61).
Успешность прорастания семян орхидных в асимбиотических условиях зависит от множества факторов, и, прежде всего, от степени развитости зародыша (или зародышей), наличия и комбинации фаз органического и вынужденного покоя, предрасположенности проростков к замене естественного эндогетеротрофного симбнотнческого питания па искусственное экзогетеротрофное питание веществами культуралыгых сред и т.д. Немаловажное значение для прорастания семян орхидных имеет и строение их семенной кожуры, ее плотность и скульптурность (Lucke, 1981; Коломейцева, 20056), наличие в клеточных стенках семенной оболочки дубильных веществ, абсцизовой кислоты (van Waes, Debergh, 1986; Лотова, 2001 и др.) или иных ингибиторов прорастания (Орхидные Урала...,2004).
Изучение морфологических типов семян в семействе орхидных имеет большое значение, связанное не только с теоретическими аспектами (выявлением филогенетических связей), но, прежде всего, с практической необходимостью (ранней диагностикой жизнеспособности семян и выявлением в семенной кожуре ингибиторов прорастания) (Андропова, 2003).
Особое значение результаты практического изучения семенной кожуры орхидных приобрели в условиях закрытого грунта при лабораторном проращивании семян, в особенности, для обеспечения контроля за жизнеспособностью семян и осуществления диагностики присутствия ингибиторов прорастания. Здесь оказалось возможным использование методик, основанных па окрашивании семенной кожуры и зародыша. Немаловажным аспектом карпологической диагностики семян орхидных явилось также выявление твердой семенной оболочки у представителей некоторых родов (Vanilla Sw., Seknipedium Rolfe, Palmorchis Barb. Rodr.), и необходимость се скарификации при асимбиотическом проращивании в культуре in vitro.
Самые ранние морфологические описания и рисунки семян орхидных были сделаны F.Bauer в конце XVIII - начале XIX века и их использовал J.Lindley в своей работе «Genera and Species of Orchidaceous Plants)) (Lindley, 1830-1840). В 1863 году в Вепс была опубликована книга J.G.Beer «Beitrage zur Morphologie und Biologie dcr Familie dcr Orchidccn» (1863) с достаточно достоверными рисунками семян орхидей из родов Vanilla Sw., Aposlasia Blume, Leptotes Lindl., Epidendrum L., Gondora Ruiz & Pav., Brassia R.Br., Phaius Lour, и др. Однако методично изучать микроскопические семена орхидных начали только в середине XX века, когда в биологии стали активно использовать электронные сканирующие микроскопы (Barthlott, Ziegler, 1981).
