Содержание к диссертации
Введение
1 История и современное состояние вопроса 12
1.1 Проблемы биоразнообразия, устойчивости и продуктивности -
1.1.1 История и современное состояние проблемы биоразнообразия -
1.1.2 Биоразнообразие и устойчивость природных экосистем . 18
1.1.3 Биоразнообразие и продуктивность насаждений 22
1.2 Физико-географическая характеристика и ландшафты БЛМ . 26
1.3 Ботаническая характеристика ив 33
1.3.1 Морфологические признаки ив и их изменчивость 35
1.3.2 Экология ив 36
1.3.3 Проблемы систематики ив 44
1.4 Хромосомы и пыльца Ивовых 52
1.5 Хозяйственное значение и селекция ив 59
2 Объекты, программа и методология исследования 65
2.1 Методы получения исходных данных 71
2.1.1 Получение исходных данных по побегам 72
2.1.2 Получение исходных данных по структуре хромосомного аппарата 75
2.1.3 Получение исходных данных по пыльце 77
2.2 Методы обработки исходных данных -
2.2.1 Обработка исходных данных по побегам 80
2.2.2 Обработка исходных данных по структуре хромосомного аппарата
2.2.3 Обработка исходных данных по пыльце 84
2.3 Методы создания коллекционных насаждений -
3 Изменчивость морфологических признаков 86
3.1 Изменчивость качественных признаков -
3.1.1 Изменчивость качественных признаков у отдельных видов -
3.1.2 Перспективы оценки биоразнообразия и эффективности селекции ив по качественным признакам 108
3.2 Изменчивость количественных признаков 110
3.2.1 Распределение параметров побегов
3.2.2 Вариабельность морфометрических признаков 116
3.2.3 Перспективы комплексной оценки биоразнообразия и селекции ив по эмпирическим распределениям и вариабельности параметров побегов 131
4 Морфодинамика однолетних побегов 133
4.1 Метамерная изменчивость отдельных параметров побегов
4.1.1 Метамерная изменчивость длины междоузлия 136
4.1.2 Метамерная изменчивость длины черешка 154
4.1.3 Метамерная изменчивость ширины листовой пластинки 167
4.1.4 Метамерная изменчивость длины листовой пластинки . 184
4.1.5 Оценка биоразнообразия и перспективы селекции ив по метамерной изменчивости отдельных параметров побегов 203
4.2 Совместная изменчивость параметров побегов 211
4.2.1 Типы параметрически заданных кривых 213
4.2.2 Влияние генетических и негенетических факторов на ме-тамерную изменчивость листовой пластинки у различных видов ив 222
4.2.3 Перспективы оценки биоразнообразия и селекции ив по совместной метамерной изменчивости ширины и длины листо вой пластинки 229
4.3 Перспективы оценки биоразнообразия и эффективности селекции ив по морфометрическим признакам 230
4.4 Программы морфогенеза 233
4.4.1 Эпигенетические ландшафты 234
4.4.2 Классификация программ морфогенеза 237
5 Изменчивость хромосомного аппарата и пыльцы 243
5.1 Митоз в меристемах, соматических тканях пыльников и пыльцевых зернах
5.2 Мейоз в пыльниках ив 254
5.3 Изменчивость длины пыльцевых зерен (ПЗ) 264
5.4 Результаты цитогенетического и палинометрического анализа 272
5.5 Цитогенетические и палинометрические критерии для оценки уровня биоразнообразия и эффективности селекции ив 283
6 Изменчивость ив в культуре 286
6.1 Изменчивость ив в семьях -
6.2 Изменчивость ритмов сезонного прироста и развития побегов 305
6.3 Результаты изучения изменчивости ив в культуре 309
7 Проблема устойчивости насаждений ив и пути ее решения 311
7.1 Моделирование устойчивости насаждений
7.2 Принципы создания устойчивых культур ивы 320
7.3 Материал для создания поликлональных насаждений 331
7.4 Организация селекции ив на сохранение исходного разнообразия 334
Заключение 346
Выводы и рекомендации 356
Список использованных источников 360
Список принятых сокращений и обозначений 409
- Физико-географическая характеристика и ландшафты БЛМ
- Получение исходных данных по структуре хромосомного аппарата
- Перспективы оценки биоразнообразия и эффективности селекции ив по качественным признакам
- Оценка биоразнообразия и перспективы селекции ив по метамерной изменчивости отдельных параметров побегов
Введение к работе
Актуальность темы. Общеизвестно (Тепляков, 1996; Багинский, 1997; Чуенков, 1997; Страхов, Писаренко, Борисов, 2001), что удовлетворение потребностей общества в лесных ресурсах возможно лишь на основе рационального, неистощительного и многоцелевого лесопользования, охраны, защиты и воспроизводства лесов, повышения их устойчивости и продуктивности. В соответствии с программой «Биологическое разнообразие лесов России» (1995), Федеральной целевой программой «Леса России» (1997), Концепцией устойчивого управления лесами РФ (1998), Национальной стратегией сохранения биоразнообразия России (2001) наиболее актуальной проблемой лесной экологии, генетики и селекции является предотвращение деградации лесных экосистем.
Создание устойчивых многоцелевых культур быстрорастущих пород -один из эффективных способов уменьшения нагрузки на естественные леса. Увеличение площади таких насаждений позволит решить многие глобальные экологические проблемы: приостановить деградацию почв, стабилизировать климат, обеспечить человечество дешевым сырьем и энергией (Программа действий..., 1993).
Оптимальный уровень генетической гетерогенности культур обеспечивает их устойчивость и продуктивность, поскольку в генетически неоднородных системах возникают компенсаторные взаимодействия множества структурных и функциональных особенностей отдельных особей, биотипов, эко-типов, изореагентов с различными особенностями роста и развития, чувствительности к динамике факторов среды, вредителям и болезням (МсСгаскеп, 1998). Следовательно, создание устойчивых высокопродуктивных насаждений требует научного обоснования типов лесных культур и повышения эффективности селекционного процесса, а для этого необходимо выявление закономерностей изменчивости древесных растений, изучение их генофонда: «Не вызывает сомнений, что создание устойчивых лесов невозможно без изучения генофонда лесных пород» (Царёв, 2000). Вместе с тем внутрипопу-ляционное разнообразие большинства видов древесных растений изучено не достаточно, поэтому работы, направленные на изучение закономерностей внутрипопуляционной изменчивости, являются совершенно необходимыми.
Ивы (Salix L.) занимают первое место в дендрофлоре средней полосы европейской части России по видовому разнообразию и характеризуются исключительно высокой внутрипопуляционной изменчивостью (Скворцов, 1968). Специфическими продуктами ивоводства являются прут и кора, маломерные сортименты (сырье для целлюлозно-бумажной промышленности, источник дешевой древесины). Ивы как исключительно неприхотливые, легко черенкующиеся, быстрорастущие растения незаменимы для создания проти-воэрозионных насаждений, создания энергетических плантаций для получения биотоплива, предварительных почвоулучшающих культур при рекультивации нарушенных земель (Правдин, 1951; Левицкий, 1965; Морозов, 1966; Скворцов, 1968; Калиниченко, Ильинский, 1976; Dawson, McCracken, 1998). Однако культуры ив до сих пор не получили должного распространения. В то же время на переувлажненных и малоплодородных почвах долинно-речных комплексов и полесий Брянского лесного массива - уникального природно-территориального комплекса средней полосы России (Тихонов, 2001) - целесообразно создание комплексных насаждений ив: «Ивы не претендуют на богатые лесные земли - царство хвойных и ценных лиственных пород, в том числе и тополей, но на занятие своих, только им свойственных, зачастую бросовых площадей они имеют полное биологическое и хозяйственное право» (Морозов, 1966, с. 211).
Гипотеза: природные популяции автохтонных видов ив БЛМ обладают высоким генетическим потенциалом и могут служить источником исходного материала, который после улучшения путем популяционно-клоновой селекции пригоден для создания разнообразных типов устойчивых высокопродуктивных многоцелевых насаждений.
Цель исследования: комплексный анализ и выявление закономерностей изменчивости морфологических, цитогенетических и палинологических признаков автохтонных видов ив БЛМ, перспективных для культивирования, и разработка научных основ создания многоцелевых устойчивых высокопродуктивных насаждений. Задачи исследования:
1 Установить закономерности и выявить структуру внутрикронной (эндогенной), внутрипопуляционной и межвидовой изменчивости качественных и количественных (морфометрических) признаков ив для оценки уровня фенотипического разнообразия в природных популяциях и культурах.
2 Выявить цитогенетические основы разнообразия ростовых и репродуктивных процессов - механизмы изменчивости хромосомного аппарата (кариотипа, генома) в митотически и мейотически делящихся клетках.
3 Установить закономерности внутрикронной (эндогенной), индивидуальной, межпопуляционнои и межвидовой изменчивости пыльцы для оценки уровня генетического разнообразия в природных популяциях и культурах.
4 Разработать и проанализировать математические модели для описания ритмов развития побегов, выявления механизмов поддержания высокого уровня фенотипического и генетического разнообразия в природных популяциях, нахождения условий повышения продуктивности насаждений без снижения их устойчивости.
5 Обосновать типы многоцелевых поликлональных культур ивы и разработать методологические основы повышения устойчивости и продуктивности насаждений, предназначенных для получения древесной биомассы, прута и коры, защиты почв и лесной рекультивации нарушенных земель.
6 Усовершенствовать рекомендации по организации селекционного процесса, лесосеменного хозяйства и выращиванию посадочного материала ив без существенного снижения уровня исходного природного разнообразия.
Методология и методы исследования. Методологической основой исследования был избран системный ландшафтно-популяционный подход. Изменчивость ив изучалась с использованием комплекса методов исследования: структурно-морфологических, сравнительно-морфологических, цитоге-нетических и палинометрических, а также элементов селекционного, гибридологического, онтогенетического методов и методов компьютерного моделирования. При обработке материалов и оформлении работы использовались методы вариационной статистики и математического моделирования в сочетании с современными компьютерными технологиями. Объекты и объем исследования. В качестве объектов исследования использовались массовые автохтонные виды ив БЛМ: пятитычинковая, трех-тычинковая, ломкая, белая, мирзинолистная, козья, пепельная, ушастая, Старке, корзиночная, шерстистопобеговая, остролистная, розмаринолистная, а также гибриды ивы белой. Для анализа изменчивости ив в природе на 52 пробных участках описано свыше 1000 особей по 75 качественным признакам зимних и летних побегов и 100 особей по количественным признакам летних побегов (свыше 60 тысяч измерений). Изготовлено и проанализировано около 1000 цитогенетических и около 250 палинологических препаратов (свыше 10 тысяч измерений). Для изучения изменчивости ив в культуре создано 27 семей восьми наиболее перспективных видов и гибридов.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключаются в том, что для массовых автохтонных видов ив Брянского лесного массива впервые:
1 На основе анализа изменчивости морфологических признаков в природных популяциях ив установлено, что индивидуальные особенности растений оказывают достоверное влияние на изменчивость параметров однолетних побегов, но степень вариабельности разных параметров различна на внутрикронном, внутрипопуляционном и видовом уровнях.
2 Для выявления разнообразия ритмов развития побегов использованы системы морфодинамических а-кривых и основанных на них параметрически заданных (/-кривых. Доказано, что конфигурации а-кривых и (7-кривых характеризуют группы побегов определенных видов, и внутривидовая мета-мерная изменчивость морфометрических признаков определяется комбинациями различных ритмов развития побегов.
3 В результате анализа изменчивости кариотипа в митотически и мей-отически делящихся клетках установлено, что прямой подсчет числа хромосом не может быть рекомендован для обнаружения полиплоидов и анеуплои-дов в популяциях ив.
4 Доказано, что изменчивость длины пыльцевых зерен (ПЗ) ив носит упорядоченный квазинепрерывный характер, выявлена неоднородность некоторых видов и гибридов по размерам ПЗ. Для поиска полиплоидов и анеу-плоидов в насаждениях ив рекомендован палинометрический анализ, основанный на измерении длины ПЗ. 5 Развиты представления о генетических программах морфогенеза. Предложено понятие морфодинамического аттрактора. Показано, что квазинепрерывный характер внутрикронной (эндогенной) и индивидуальной изменчивости признаков определяется разветвленными и разветвленно-сетевыми программами морфогенеза.
6 Для анализа динамики генетической структуры популяций и видовой структуры ивняков с учетом естественного отбора и дрейфа генов разработаны эколого-генетические модели, позволяющие выявить механизмы поддержания высокого уровня фенотипического и генетического разнообразия в природных популяциях и сообществах, а также условия повышения продуктивности насаждений без снижения их устойчивости.
Практическая значимость.
1 Разработаны методологические принципы создания разнообразных типов устойчивых высокопродуктивных структурированных насаждений для получения древесной биомассы и технического сырья (прута, коры), рекультивации нарушенных земель, реконструкции естественных лесных насаждений лесокультурным способом, создания защитных и декоративно-рекреационных насаждений.
2 Предложена система популяционно-клонового селекционного процесса с использованием генетического потенциала местных популяций на основе индивидуально-семейного отбора без потери исходного разнообразия.
3 Обоснованы принципы организации лесосеменного хозяйства и выращивания селекционно-улучшенного посадочного материала (саженцев семенного и черенкового происхождения) в питомниках.
4 Доказана возможность получения высокопродуктивных клонов ив с разным ритмом развития побегов на основе материала из природных популяций БЛМ.
Достоверность и обоснованность результатов исследования, выводов и рекомендаций обусловлены использованием обширного экспериментального материала, обработанного с помощью компьютерных технологий, а также всесторонним анализом литературных источников, согласованностью полученных данных с общебиологическими закономерностями и данными других авторов. На защиту выносятся следующие положения:
1 Природные популяции ив БЛМ характеризуются высоким уровнем фенотипической и генетической изменчивости, что доказывается с помощью сравнительно-морфологических, цитогенетических и палинометрических методов.
2 Фенотипическая изменчивость включает видовое, внутрипопуляци-онное и внутрикронное (эндогенное) разнообразие качественных и количественных морфологических признаков. Одним из проявлений фенотипической изменчивости является разнообразие ритмов развития побегов.
3 Генетическая изменчивость в большинстве случаев носит скрытый (потенциальный) характер. Для оценки уровня генетического разнообразия в популяциях рекомендуется использовать палинометрический метод, основанный на измерении длины пыльцевых зерен, а не цитогенетические методы (подсчет числа хромосом).
4 Природные популяции ив БЛМ обладают высоким генетическим потенциалом, что доказывается анализом расщеплений по ряду качественных и количественных признаков при семенном размножении. Однако в естественных насаждениях этот потенциал реализуется лишь частично из-за влияния стабилизирующего отбора и случайных факторов.
5 Природные популяции ив БЛМ - это источник ценного исходного материала для получения коллекций клонов и создания на их основе многоцелевых устойчивых генетически гетерогенных насаждений: высокопродуктивных плантаций для получения древесной биомассы и технического сырья (прута и коры), почвозащитных, водорегулирующих и декоративно-рекреационных полос, предварительных культур при рекультивации нарушенных земель и частичных культур при реконструкции малопродуктивных естественных лесных насаждений.
6 Повышение продуктивности насаждений без снижения их устойчивости при минимальном использовании удобрений и средств химической защиты возможно за счет оптимизации конкурентных и компенсаторных взаимодействий при использовании разработанных автором три- и гексагональных гибких схем-модулей посадки клонов с различными ритмами развития побегов.
7 Для получения селекционно-улучшенного и сортового материала в сжатые сроки и без существенной потери исходного разнообразия рекомен дуется разработанная автором популяционно-клоновая система селекционного процесса на основе индивидуально-семейного отбора.
Личный вклад автора. Диссертация является результатом многолетних исследований. Автором осуществлялось планирование исследований, сбор материала, обработка и интерпретация результатов, разработка рекомендаций для производства, подготовка монографий и статей, в том числе и в соавторстве.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях: 9 международных - Актуальные проблемы экологии на рубеже III тысячелетия и пути их решения (Брянск, 1999); Брянщина у истоков лесной науки славянских народов (Брянск, 1999); Проблемы устойчивого развития радиоактивно загрязненных территорий стран СНГ (Брянск, 2000); Наука и образование - возрождению сельского хозяйства России в XXI веке (Брянск, 2000); Современные технологии воспроизводства целевых лесов в Юго-Западном регионе Центральной части России (Брянск, 2002); Лесоводство, экология и биоресурсы (Брянск, 2005); Лесопользование, экология и охрана лесов: фундаментальные и прикладные аспекты (Томск, 2005); Лесоведение, экология и биоресурсы (Брянск, 2006); Актуальные проблемы лесного комплекса (Брянск, 2006) - и 6 Всероссийских и региональных - Генетика и селекция - на службе лесу (Воронеж, 1996), Краеведческие исследования в регионах России (Орел, 1996), Экологическое образование в Брянской области: состояние и перспективы (Брянск, 1998, 1999), Химико-лесной комплекс - проблемы и решения (Красноярск, 2002), IV научные Чтения памяти В.В. Станчинского (Смоленск, 2004). По теме исследования подготовлено свыше 50 научных работ, из них опубликовано в печати - 40, в т.ч. 4 монографии (одна депонирована в ВИНИТИ) и 4 статьи в центральных реферируемых журналах (Лесоведение, Лесной журнал). С апреля 2006 г. результаты исследований регулярно публикуются в сети Интернет на зарегистрированном персональном сайте автора (http://afonin-59-salix.narod.ru/index.htmI).
Структура и объем работы. Основная часть диссертации изложена на 410с, включает общую характеристику работы, 7 глав, заключение, выводы и рекомендации, список использованных источников (545, в т.ч. 47 иностранных авторов), 28 таблиц, 43 иллюстрации. В приложении (307 с.) даны алгоритмы и результаты статической обработки исходных данных, иллюстрации и справочные материалы.
Физико-географическая характеристика и ландшафты БЛМ
Брянский лесной массив (БЛМ) - это уникальный природно-территориальный комплекс средней полосы России, сформировавшийся на границе хвойно-широколиственных лесов и лесостепи (Тихонов, 2001).
В плане БЛМ имеет вид ленты длиной 190 км и шириной 25...40 км, которая вытянута в направлении с ССВ на ЮЮЗ (рис. 1.2). Западная граница БЛМ проходит по р. Десне, захватывая долину р. Болвы в ее нижнем течении. Северная граница проходит по р. Рессете вдоль административной границы Брянской и Калужской областей. Восточная граница проходит по западным склонам Среднерусской возвышенности; ориентировочно ее можно провести через населенные пункты Карачев - Навля - Локоть - Суземка. Южная граница массива проходит по р. Знобовка (Украина) вдоль административной границы России и Украины (Тихонов, 2000). Общая площадь БЛМ составляет примерно 6400 км2, площадь лесного фонда - 5184 км2, а покры-тые лесом земли - 4642 км . Из общей площади лесного фонда 4143 км (79,9 %) относятся к лесничествам Брянской области, 529 км (10,2%) - Калужской, 357 км2 (6,9 %) - Орловской, 155 км2 (3,0 %) - Сумской (Тихонов, 2001). Таким образом, основу БЛМ составляют леса Брянской области. Основными лесами БЛМ являются сосняки (47%) и березняки (23%). Ивняки занимают 0,2% (921 га) земель, покрытых лесом (Тихонов, 2001).
С точки зрения ботанико-географического районирования, БЛМ расположен на территории Среднерусской подпровинции Восточноевропейской провинции Европейской широколиственной области (Растительность Европейской части СССР, 1980). С позиций флористического районирования, БЛМ входит в состав Восточноевропейской провинции Европейско-Сибирской лесной подобласти Циркумбореальной области Голарктического флористического царства (Тахтаджян, 1978). Согласно геоботаническому районированию, Левобережье р. Десны с включениями системы ее террас относится к Брянскому округу хвойно-широколиственных лесов Северо-двинско-Верхнеднепровской подпровинции Североевропейской таежной провинции (Геоботаническое районирование Нечерноземья..., 1989). Часто при описании географического ареалов растений принимается районирование «Флоры СССР», согласно которому территория БЛМ лежит в восточной части Верхне-Днепровского подрайона Центрального района европейской части России (Лавренко, Исаченко, 1967). По классификации И.Р. Морозова (1966), разработанной специально для ив, БЛМ относится к влажному и теплому Среднерусскому району.
С точки зрения административного деления, основная часть БЛМ располагается в восточной части Брянской области, занимая часть территорий Дятьковского, Брянского, Карачевского, Навлинского, Трубчевского, Сузем-ского и Брасовского районов. За пределами Брянской области северовосточная оконечность БЛМ вытянута вдоль границы Калужской и Орловской областей, а южная граница проходит в северной части Сумской области Украины. Наиболее крупными населенными пунктами на территории БЛМ являются Пальцо, Белые Берега, Алтухово, Кокоревка (Атлас Брянской области, 1976).
Особенности геологического строения, рельефа, климата, речной сети, озер и болот, почв БЛМ, описанные ранее (Ковригин, 1940; Физико-географическое районирование..., 1963; Асеев, 1967; Агроклиматические ресурсы, 1972; Атлас Брянской области, 1976; Ахромеев, Данилов, 1990; Орловский, Остроумов, 1990; Шевченков, 1990; Воробьев, 1993; Волкова, Жуч-кова, 1994; Федотов, Евстигнеев, 1997; Соколов, 1999; Природа и природные ресурсы..., 2001; Тихонов, 2001; Шевченкова, 2001), приведены в Приложении П.1.2. Достаточно сложная и разнообразная географическая структура БЛМ способствует повышению уровня биологического разнообразия, создает благоприятные условия для произрастания и эволюции ив.
Получение исходных данных по структуре хромосомного аппарата
Для изучения митотических хромосом и фаз митоза в качестве основного материала использовались придаточные корни; для цитоанализа видов, у которых придаточные корни образуются с трудом, а митотическая активность в меристемах корней невысока, использовались соматические ткани пыльников и созревающие пыльцевые зерна (ПЗ). Для изучения мейотиче-ских хромосом и фаз мейоза использовались пыльники; проводился метафаз-ный и анафазный анализ мейотических делений в материнских клетках микроспор (МКМ; синонимы - мейоциты, микроспороциты).
Приготовление препаратов придаточных корней. Для получения придаточных корней использовались безлистные (зимние) и зеленые (летние) неразветвленные побеги формирования, срезанные (в соответствии с описанными выше принципами отбора исходного материала) с особей с типичными видовыми признаками, не имеющих заметных биологических или иных повреждений. Укоренение производилось по стандартным методикам (Chmelar, Meusel, 1976; Самошкин, 1990): свежесрезанные побеги разрезались на черенки длиной 15-25 см и помещались в отстоянную водопроводную воду; стимуляторы корнеобразования не использовались. Для образования придаточных корней требовалось от 7...10 дней до 2 месяцев в зависимости от вида ив и времени года. Полученные корни длиной 2...3 см фиксировались в вечерние часы (с 15 до 20 час по зимнему времени) холодным (до +5 С) фиксатором Кларка (3 части ледяной уксусной кислоты : 1 часть абсолютного этанола). Время фиксации - 24 ч, хранение материала при +5 С не более 10 суток. Окрашивание велось в 2%-ном ацеторсеине. Время окрашивания -24 ч при +20...22 С. Мацерация и одновременная дифференцировка производились в 45%-ной уксусной кислоте - 2 смены по 5 мин. Для приготовления препаратов использовались кончики корней длиной 1,5...2,0 мм, освобожденные от корневых чехликов. Раздавливание препаратов велось в капле 76%-ного глицерина. Препараты просматривались сразу после приготовления. Всего изготовлено и проанализировано свыше 1000 препаратов девяти видов ив, для окончательного анализа использовано 37 препаратов. Более подробная характеристика материала дана в Приложении (таблица П.2.1.2.1).
Приготовление препаратов пыльников. Для изготовления препаратов пыльников использовались мужские сережки, полученные путем выгонки в лабораторных условиях в зимне-весенний период. Для выгонки побеги помещались в отстоянную водопроводную воду при +20...22 С. Сережки фиксировались на стадии выхода из почки в утренние часы (с 9 до 13 час по зимнему времени). Фиксация, хранение материала, окрашивание, мацерация, дифференцировка и приготовление препаратов проводились так же, как и при подготовке корней. Для приготовления препаратов использовались отдельные пыльники на разных стадиях развития. Модификация стандартных методик заключалась в следующем. В качестве фиксатора использовался фиксатор Кларка (уксусный алкоголь) при пониженной температуре, что способствовало выявлению продольной дифференцировки хромосом (Чукса-нова, 1974). В качестве красителя использовался ацеторсеин, который ранее не применялся при окрашивании хромосом у ив, но хорошо зарекомендовал себя при окраске хромосом у тополей (Ekberg et al., 1967). Использование 76%-ного глицерина позволило увеличить срок хранения препаратов до нескольких суток без заметной потери качества. Всего изготовлено и проанализировано свыше 500 препаратов пяти видов, для окончательного анализа использовано 64. Более подробная характеристика материала дана в Приложении (таблица П.2.1.2.2).
Препараты анализировались с помощью различных световых микроскопов: Биолам Р—14 (осветитель ОИ-31, зеленый светофильтр, объективы х8, х40 ВИ, х90 МИ, бинокулярная насадка АУ-12 с собственным увеличением х155, окуляры х7, хЮ, х15), МБИ-6 (штатный осветитель, зеленый светофильтр, штатная оптика с общим увеличением до х3375), МБИ-11 (штатный осветитель, зеленый светофильтр, штатная оптика с общим увеличением до х2500). Применялись иммерсионные среды: дистиллированная вода, глицерин, масло иммерсионное кедровое и пихтовое. Масштаб увеличения определялся с помощью окуляр-микрометра, градуированного при каждом увеличении по шкале объект-микрометра.
Материалом, использованным в данном исследовании, послужила пыльца, которая собиралась в природных условиях и в коллекционных насаждениях в период массового цветения. Пыльца каждого вида собиралась в тех условиях, где этот вид доминировал над другими видами ив и характеризовался высоким виталитетом. Для сбора материала использовались ранее описанные пробные участки, а также искусственные насаждения ив. Изменчивость длины пыльцевых зерен (ПЗ) 13 видов и 3 гибридов ив изучалась в 19 выборках. Для большинства видов соблюдался принцип «один вид - одна выборка», однако для S. triandra, S. caprea, S. dasyclados и гибридов S. alba x S fragilis выборки были продублированы. Объем выборок определялся количеством тычиночных особей, пригодных для анализа: с типичными видовыми признаками, без видимых повреждений, интенсивно цветущих. Всего проанализировано 10174 ПЗ, собранных с 245 особей. Более подробная характеристика материала дана в Приложении П.2.1.3.
Измерение длины полярной оси ПЗ. С каждой тычиночной особи отбиралось не менее 5 сережек с разных побегов в полном цвету. Образцы хранились в холодильнике в бумажной таре не более 3 суток. Непосредственно перед анализом смесь пыльцы из всех сережек, собранных с одной особи, без какой-либо предобработки наносилась на предметное стекло. Покровные стекла и какие-либо среды не использовались. Полученные временные препараты немедленно просматривали при помощи СМ Биолам Р—14 с общим увеличением х900. У зрелых ПЗ с типичной морфологией производилось измерение длины полярной оси / с помощью окуляр-микрометра (точность ±0,8 мкм). Проращивание пыльцы и оценка её жизнеспособности велись по стандартным методикам (Ватта, Тихомирова, 1979).
Перспективы оценки биоразнообразия и эффективности селекции ив по качественным признакам
Анализ изменчивости качественных признаков ив в природе позволил выявить морфологические критерии для оценки биоразнообразия в популяциях. Окраска побегов может служить для выявления цветовых форм (вариа- ций) у S. pentandra, S. triandra, S alba, S. myrsinifolia, S. acutifolia. По морфологии листьев выделяются мелколистные и крупнолистные формы S. myrsinifolia, широколистные и узколистные формы S. pentandra, S. alba, S. caprea. Кроме того, у большинства видов (кроме S. aurita, S. starkeana, S. rosmarinifo-lia) возможно выделение форм, различающихся по морфологии основания и верхушки листовых пластинок, по длине черешка. По морфологии прилистников возможно выделение форм у S. triandra, S. myrsinifolia, S. starkeana, S. viminalis, S. acutifolia, по размерам генеративных почек - у S. myrsinifolia, S. cinerea (в меньшей степени - у S. dasyclados, S. acutifolia), по морфологии генеративных почек - у S. caprea, по интенсивности опушения - у S. alba, S. caprea, S. dasyclados, S. acutifolia.
Однако описанные внутривидовые различия могут определяться не только генетическими особенностями особей, но и их возрастом, прямым влиянием условий произрастания, влиянием вредителей и болезней. Например, наличие двуцветных побегов или светлых треугольников у основания темно-окрашенных почек (под черешком) указывает на зависимость интенсивности окраски от освещения, наличие розеток (фасциированных побегов) - на дисбаланс элементов минерального питания, курчавость листьев - на поражение микромицетами, мозаичность листьев - на поражение вирусами.
Поэтому без предварительной проверки материала в селекционном питомнике качественные признаки не могут быть рекомендованы для оценки уровня разнообразия и прогнозирования эффективности селекции ив.
Сравнительно-биоэкологический анализ ив Брянского лесного массива показал, что наиболее пригодны для культивирования немногие виды: S. alba и её гибриды с S.fragilis, S. triandra, S. viminalis - для культивирования на почвах с проточным увлажнением; S. myrsinifolia и S. dasyclados для тяжелых сырых почв; S. acutifolia - для песчаных сравнительно сухих почв. Остальные виды страдают рядом недостатков: или с трудом черенкуются (S. pentandra, S. caprea), или недостаточно продуктивны (S. aurita S. starkeana, S. rosmarini-folia), или не обладают необходимыми декоративными качествами (S. cinerea).
Множество внутрикронных распределений параметров побегов (полигонов распределения) показано на диаграммах в Приложении (рисунки П.3.2.1.1-44; на диаграммах указаны номера особей, выделяющихся из общей массы, в пояснениях дана расшифровка маркеров, указаны номера особей, использованных для вычисления средних кривых).
Выявлено несколько основных типов распределения параметров: близкое к нормальному с незначительной растянутостью в правой части (в дальнейшем будем называть такое распределение типичным), симметричное (близкое к нормальному), левостороннее асимметричное с пологой левой ветвью кривой. Все эти типы распределения представлены на рисунке 3.2.1 (на примере распределения длины листовой пластинки у трех особей S. alba).
Полигоны внутрикронных распределений / у S. triandra характеризуются заметной правосторонней (положительной) асимметрией. В выборке S. alba-2 (пробный участок 8) распределение / типичное. У других видов выявлена гетерогенность выборок по характеру внутрикронных распределений /. У большинства особей в выборке S. alba-l (пробный участок 1) а также у S. cinerea, S. viminalis, S. dasyclados и S. acutifolia распределение I типичное. Однако у S. alba и S. acutifolia отмечаются особи с пологим, слегка левосто-ронне асимметричным распределением /. У S. cinerea наблюдается значительное варьирование модальных значений /, при этом полигон распределения / особи 3 значительно смещен вправо и отличается некоторой левосторонней асимметрией. Подобная картина наблюдается и у S. viminalis, однако здесь дополнительно отмечено смещение полигона распределения / особи 9 влево. У исключительных особей S. dasyclados отмечается левосторонняя асимметрия распределения, причем полигон распределения / особи 3 сильно сжат. Полигоны распределения / у S.pentandra и S.fragilis в целом пологие, куполообразные, правосторонне асимметричные. Однако отдельные особи этих видов характеризуются несколько более сжатыми (и смещенными влево) или более растянутыми (и смещенными вправо) полигонами. Подобная картина наблюдается также у S. myrsinifolia и S. саргеа, однако у S. myrsinifolia отчетливо выделяется три группы особей с почти совпадающими полигонами распределения /, а у S. саргеа, наоборот, заметная неоднородность выборки носит непрерывный характер.
Оценка биоразнообразия и перспективы селекции ив по метамерной изменчивости отдельных параметров побегов
Метамерная изменчивость отдельных параметров побегов - закономерное изменение /, L, X, Y от основания побегов к вершине - носит периодический характер. Эмпирическая зависимость /, L, X, Y от порядкового номера метамера (узла) / адекватно описывается морфодинамическими а-кривыми - в большинстве случаев коэффициенты детерминации R 0,9 (рисунок 1). Все множество типов а-кривых дано в Приложении (рис. П.4.1.5.1—16). Максимальным разнообразием а-кривых характеризуется S. cinerea (до 10 типов), меньшим - S. myrsinifolia, S. triandra, S. alba, S. caprea, S. viminalis, S. dasyclados (5...8 типов), еще меньшим - S. pentandra, S. fragilis, S. acutifolia (2...4 типа). Периодический характер метамерной изменчивости /, L, X, Y обусловлен неравномерным развитием побегов в течение вегетационного сезона. Поэтому все многообразие а-кривых сводится к двум основным типам: одновершинным (с одной волной развития побега) и двухвершинным (с двумя волнами развития). Одновершинные а-кривые включают три подтипа (рис. 4.1.5.1а): - I а - абсолютный максимум в левой части а-кривой: интенсивное раз витие побегов происходит в конце весны и в первой половине лета; -lb- абсолютный максимум вблизи средней части а-кривой: интенсивное развитие в середине лета; - I с - абсолютный максимум в правой части а-кривой: интенсивное развитие во второй половине лета. Двухвершинные а-кривые также включают три подтипа (рис. 4.1.5.16): - II а - интенсивное развитие побегов в конце весны и в первой половине лета; - II b — весенне-летний и позднелетний периоды развития примерно равны по интенсивности; - II с - наиболее интенсивное развитие во второй половине лета. Разные типы и подтипы а-кривых встречаются с разной частотой. У всех изученных видов обнаружены одновершинные а-кривые I типа: /-а-кривые S. pentandra, S. triandra, S.caprea S. dasyclados и S. acutifolia, L-a-кривые S. pentandra, S.fragilis, S. caprea, S. cinerea, S. viminalis, S. acutifolia, Z-а-кривые S. pentandra, S.fragilis, S.alba, S.viminalis, Г-а-кривые S. pentandra, S.fragilis, S. viminalis, S. dasyclados, S. acutifolia.Чаще встречается подтип la, реже - подтипы lb и Ic. Некоторые подтипы одновершинных а-кривых характеризуются определенной видоспецифичностью, например, для S. triandra более характерны а-кривые с тенденцией к уменьшению /, X и Y к вершине побега и затуханием колебаний, для S. alba - с тенденцией к увеличению Y. Двухвершинные а-кривые II типа с локальным минимумом выявляются на достаточно длинных побегах (свыше 20 узлов): /-а-кривые S.fragilis, S. alba, S. myrsinifolia, S. cinerea, S. viminalis, L-а-кривые S. triandra, S. alba, S myrsinifolia, S. dasyclados, -а-кривые S. myrsinifolia, S. caprea, S. cinerea, S. dasyclados, S. acutifolia, F-а-кривые S. myrsinifolia, S. caprea, S. cinerea. Среди а-кривых II типа подтипы На, lib, Пс встречаются с примерно одинаковой частотой. Не выявлены /-а-кривые II типа у S. pentandra, S. caprea, S. acutifolia, L-а-кривые у S.fragilis, S. viminalis, S. acutifolia, -а-кривые у S.fragilis, S. alba, 7-а-кривые у S.fragilis. В то же время среди изученных видов нет ни одного, у которого отсутствуют двухвершинные а-кривые всех четырех параметров. По взаиморасположению а-кривых в ряде случаев с высокой надежностью выявляются длинно- и короткочерешковые особи S. triandra, S. myrsinifolia, S. caprea, S. dasyclados; узко- и широколистные особи S. pentandra, S. caprea, широколистные особи S. triandra, узколистные особи S. alba, коротко- и длиннолистные особи S. dasyclados. Однако в большинстве случаев различия между а-кривыми носят квазинепрерывный характер, поскольку на их конфигурацию оказывают влияние разнообразные генетические и негенетические факторы. Очевидно, что различия между внутрикронными а-кривыми определяются негенетическими факторами (если пренебречь соматическими мутациями), а различия между индивидуальными а-кривыми - совместным влиянием генетических и негенетических факторов. При сравнении внутрикронных и индивидуальных а-кривых выявлено три типа различий между ними. I. Внутрикронные а-кривые сходны по конфигурации, незначительно различаясь по А и X. Тогда внутрикронные а-кривые могут использоваться для презентации особей, т.е. становятся индивидуальными. В свою очередь, индивидуальные а-кривые отчетливо различаются по конфигурации (относятся к определенному типу или подтипу), что позволяет выделять по ритмам развития побегов определенные особи или группы особей. Сильнее всего индивидуальность а-кривых выражена у & triandra, S. alba, S. myrsinifolia, S. caprea, S. cinerea, S. viminalis, S. dasyclados; слабее всего - у S. pentandra и S. acutifolia. В данной ситуации ритм развития побегов можно считать генетически детерминированным признаком. В то же время, незначительные внутрикронные различия между а-кривыми разных побегов указывают на возможность переключения траекторий морфогенеза в пределах одной генетической программы.
