Биологические особенности триплоидной и тетраплоидной форм Gladiolus tenuis Bieb. при интродукции в Пермском крае

Геофиты, размножаясь в природе семенным путем, как правило, отличаются при этом хорошим потенциалом вегетативного возобновления. В то же время среди них известны случаи полной утраты полового способа размножения и формирования клонов, занимающих значительные части ареала [Kutlunina, Permyakova, Belyaev, 2016]. Причинами этого явления могут служить нечетная полиплоидия, анеуплоидия, сложная аллоплоидная природа, приводящие к стерильности.

Примером такого растения является Gladiolus tenuis Bieb. – гладиолус тонкий, охраняемый ред- кий вид, включенный в Красные книги 13 субъектов Российской Федерации. Ареал этого немораль-но-лесостепного вида приурочен преимущественно к Средней и Восточной Европе, Западной Сибири, Средней и Малой Азии, встречается он и на Кавказе [Тамберг, 1977]. Южный Урал и Оренбургская область фактически являются краевой частью ареала гладиолуса тонкого. По последним литературным данным к востоку от Волги все исследованные популяции G. tenuis относятся к одному стерильному генотипу (клону) и имеют триплоид-ный набор хромосом (2n=3x=45), к западу от Волги популяции тетраплоидные [Кутлунина, Князев, Беляев, 2010; Кутлунина, Князев, 2012; Князев,

Кутлунина, Беляев, 2015; Кутлунина, 2017].

Целью нашей работы было сравнительное изучение биологических особенностей тетраплоидной и триплоидной форм Gladiolus tenuis Bieb. в условиях интродукции в г. Перми.

Материалы и методы исследований

Исследования проводились на базе Учебного ботанического сада Пермского государственного национального исследовательского университета (ПГНИУ) в 2014–2017 гг. Обе формы G. tenuis выращиваются в Учебном ботаническом саду на интродукционном участке редких и охраняемых видов растений. Клубнелуковицы тетраплоидной формы поступили в коллекцию в 2014 г. из Ботанического сада Петра Великого (г. Санкт-Петербург), куда они попали из окрестностей г. Пятигорска. Клубнелуковицы триплоидной формы поступили в коллекцию Учебного ботанического сада ПГНИУ в 2000 г. из ФГБУН «Ботанический сад УрО РАН» (г. Екатеринбург); место их сбора – Губерлинские горы Оренбургской области.

Интродукционное изучение гладиолуса тонкого проводили по методическим рекомендациям, описанным И.Ф. Сацыперовой, А.М. Рабиновичем [1990] и Г.П. Семеновой [2007]. При этом описывали жизненную форму, морфологию растений, плодов, семян, фенологию, основной способ и особенности размножения. Наблюдения за ритмикой сезонного развития проводили по методике Р.А. Карписоновой [1972]. Антэкологические особенности изучали по методике, описанной А.Н. Пономаревым [1960]. Фертильность пыльцы определяли ацетокарминовым методом [Паушева, 1988]. Жизнеспособность пыльцы обеих форм G. tenuis определяли 2 способами: путем ее проращивания на искусственных средах ( in vitro ) и на рыльцах пестика ( in vivo ). Проращивание пыльцы in vitro проводили по методике И.Н. Голубинского [1974] на агаризованных средах, содержащих различные концентрации сахарозы (10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40%). Жизнеспособность пыльцы in vivo и ре-цептивность рылец (их восприимчивость к пыльце) изучали на растениях триплоидной и тетраплоид-ной форм при их самоопылении и перекрестном опылении. Каждый вариант опыления проводили в цветках, находящихся в разных стадиях цветения, начиная с окрашенного бутона и до их увядания. Фиксацию и окрашивание пестиков проводили по методике Р.П. Барыкиной и др. [2004] . Срок наступления рецептивности рылец определяли по времени начала прорастания пыльцы после опыления.

Для изучения особенностей семенного размножения были поставлены 4 варианта опыта [Френкель, Галун, 1982; Шумихин, 2005]: 1) изоляция соцветий с кастрированными цветками без даль- нейшего вмешательства в процесс опыления, чтобы установить возможность апомиксиса; 2) изоляция соцветий без дальнейшего вмешательства в процесс опыления цветков, чтобы установить возможность естественного самоопыления; 3) изоляция соцветий с последующим искусственным самоопылением цветков, чтобы установить существование самонесовместимости и эффективность строгой автогамии; 4) учет завязывания семян при свободном опылении, чтобы определить его эффективность в конкретных условиях выращивания.

При изучении семенной продуктивности видов гладиолуса использовали стандартные методики [Вайнагий, 1974; Сацыперова, 1993]. При этом учитывали процент плодоцветения, потенциальную семенную продуктивность (ПСП), реальную семенную продуктивность (РСП), коэффициент семенной продуктивности (Кспр). При подведении итогов успешности интродукции использована 7балльная шкала оценки, разработанная в Донецком ботаническом саду [Баканова, 1984]. Статистическая обработка результатов проводилась по методике, описанной Г.Ф. Лакиным [1990].

Результаты и их обсуждение

Клубнелуковица у тетраплоидной формы G. tenuis шаровидная, 1.5–2 см в диаметре, крупнее, чем у триплоидной (1–1.5 см), покрытая волокнистыми чешуями. В условиях интродукции растения тетраплоидной формы в генеративной стадии развития в целом мельче триплоидной формы, достигают высоты 45–50 см по листьям и 53–70 см по генеративному побегу. Генеративные растения триплоидной формы достигают высоты в среднем 57–74 см по листьям и 70–80 см по генеративному побегу. Стебли у обеих форм прямые, тонкие. Нижние 2 листа чешуевидные, стеблевых листьев – 3. Они с развитой листовой пластинкой, мечевидные. Верхушечный лист 1, сильно уменьшенный. Цветки розово-фиолетовые, однако рисунок на нижних долях околоцветника тетраплоид-ной формы выражен четче и ярче (рис. 1, 2). В условиях Пермского края в соцветии тетраплоидной формы G. tenuis обычно формируется 5–9 цветков, триплоидной – 7–9. Цветки в соцветии триплоид-ной формы располагаются плотнее друг к другу. Околоцветник у обеих форм 3.0–3.5 см в диаметре. Цветок данного вида не имеет аромата. Плоды образуются только у тетраплоидной формы G. tenuis. Они представляют собой обратнояйцевидную коробочку до 10 мм длиной. Семена бескрылые, коричневые, овальные, 3–4 мм длиной.

По классификации жизненных форм декоративных геофитов, предложенной И.В. Борисовой [1991] с комментариями Л.Л. Седельниковой [2003], в условиях интродукции в Пермском крае G. tenuis отнесен нами к раннелетнецветущим гемиэфемероидом с ве- сенне-раннелетней вегетацией.

У G. tenuis цветки в соцветиях раскрываются в

Рис. 1. Тетраплоидная форма G. tenuis

Рис. 2. Триплоидная форма G. tenuis

В условиях Пермского края первой начинает отрастать триплоидная форма (24 апреля – 5 мая), затем в разные годы 30 апреля – 17 мая – тетрап-лоидная форма (рис. 3). Цветение триплоидной формы наступает также раньше, 5–19 июня. Тет-раплоидная форма G. tenuis зацветает в период 13 июня – 5 июля. Диссеминация у тетраплоидной формы отмечалась в разные годы с 10 июля по 3 августа. Усыхание листвы обеих форм отмечалось в разные годы в период 22 июля - 10 августа. Таким образом, за период исследования стадии сезонного развития у триплоидной формы наступали на 7–10 дней раньше, чем у тетраплоидной.

Рис. 3 . Феноспектр сезонного развития тетраплоидной и триплоидной форм G. tenuis в условиях интродукции в Пермском крае (2014–2017 гг.)

Изученные формы G. tenuis имеют пыльцу с высокими показателями фертильности. Однако фертильность пыльцы тетраплоидной формы (83.14±0.81%) достоверно превышает таковую триплоидной (76.23±1.42%; χ²= 8.39, р= 0.004).

При исследовании жизнеспособности пыльцы in vitro выяснено, что на искусственных средах прорастать способна только свежесобранная пыль- акропетальном направлении, от основания к вершине, с промежутком в один день. У обеих форм в соцветии не больше трех одновременно раскрытых цветков. От стадии окрашенного бутона до увядания цветка проходит 4–5 дней. Стадии раскрывания цветка описаны нами ранее [Черткова, Шумихин, 2015]. В целом они совпадают у обеих форм G. tenuis. Однако морфологическая готовность рыльца к опылению (рыльцевая стадия) фиксируется у тетраплоидной формы несколько раньше, через 3–7 ч после начала вскрывания пыльников, чем у триплоидной формы (через 3–9 ч). Наблюдения за ходом распускания цветка показали присутствие у обеих форм геркогамии и морфологически выраженной дихогамии в форме несовершенной протерандрии, которая не исключает самоопыление в форме автогамии или гейтоногамии. Автогамия возможна при неудавшемся перекрестном опылении на 4-й день функционирования цветка. Этому способствует, во-первых, отсутствие четкого разделения тычиночной и рыльцевой стадий из-за их наложения в течение 24–26 ч; во-вторых, изменение взаимного расположения пыльников и рылец в конце цветения, когда создаются условия для контактной автогамии. Гейтоногамия также вполне вероятна, поскольку существует вероятность попадания пыльцы с верхних цветков соцветия на готовые к опылению рыльца нижних.

ца тетраплоидной формы G. tenuis. Пыльца трип-лоидной формы на изученных искусственных средах не прорастала. Оптимальными для прорастания пыльцы тетраплоидной формы G. tenuis можно считать искусственные среды с содержанием сахарозы 10–15%. У тетраплоидной формы G. tenuis на оптимальных искусственных средах жизнеспособность пыльцы в целом невысока и составля- ет 23–29%.                                      цы гладиолуса тонкого на рыльцах пестиков (in

Результаты изучения жизнеспособности пыль- vivo ) представлены в табл. 1.

Таблица 1

Жизнеспособность пыльцы тетраплоидной формы G. tenuis in vivo (%)

Вариант опыления	День цветения цветка
	1	2	3	4	5
Тетраплоидная форма × тетраплоидной форма	0	18.88± 0.10	10.56± 0.45	3.79± 0.17	0
Триплоидная форма × тетраплоидная форма	0	0	6.77± 1.63	6.17± 1.77	0

При самоопылении триплоидной формы пыльца не прорастает, являясь стерильной, что связано с нарушениями в процессах мейоза у форм с непарным числом хромосом в соматических клетках. При опылении триплоидной формы G. tenuis пыльцой тетраплоидной формы наблюдалось ее единичное прорастание (6.77±1.63% проросшей пыльцы). При самоопылении тетраплоидной формы наблюдалось в среднем 18.88±0.10% проросшей пыльцы .

При изоляции соцветий с кастрированными цветками без дальнейшего вмешательства в процесс опыления ни на одном растении за все годы исследования семена не завязывались. Таким образом, апомиксис у исследованных форм G. tenuis отсутствует. Апомиктичное завязывание семян в роде гладиолус не отмечается и в обзорных работах исследователей этого явления [Fryxell, 1957; Хохлов и др., 1978].

Семена у триплоидной формы при разных вариантах опыления и при свободном цветении не

Таблица 2

Показатели семенной продуктивности тетраплоидной формы G. tenuis при разных вариантах опыления

Вариант опыления	Количество цветков	Количество плодов	Процент плодоцве-тения, %	Показатели семенной продуктивности в расчете на плод				К спр , %
				ПСП (М±m)	cv, %	РСП (М±m)	cv, %
Естественное самоопыление	26	9	34.62	33.95±0.59	2.48	4.94±1.87	53.54	14.56
Искусственное самоопыление	42	20	47.62	34.28±1.55	10.12	8.18±2.20	60.17	23.86
Свободное опыление	39	25	64.10	39.94±2.86	10.13	18.82±1.69	12.67	47.11

На коллекционном участке Учебного ботанического сада ПГНИУ обе формы G. tenuis ежегодно цветут, а тетраплоидная форма формирует плоды и семена. Отмечается хорошее вегетативное размножение обеих форм клубнелуковицами и клуб-непочками. Поражаемость изученных форм болезнями и вредителями низкая, а их зимостойкость оценивается нами как высокая, в течение всех лет исследования выпад растений не отмечался.

Заключение завязываются, что согласуется с литературными данными [Kutlunina, Permyakova, Belyaev, 2016]. Растения тетраплоидной формы способны формировать плоды и семена как при самоопылении, так и при свободном опылении, однако последнее оказывается наиболее результативным (табл. 2). Так, при самоопылении процент плодоцветения (34.62%) достоверно меньше (χ2= 5.44; р=0.02), чем при свободном опылении (64.10%). Коэффициент семенной продуктивности в обоих вариантах самоопыления (самоопылении при изоляции – 14.56% и при искусственном самоопылении – 23.86%) достоверно ниже, чем при свободном цветении – 47.11% (χ2= 82.00; р=0.000 и χ2=91.37; р=0.000 соответственно). Реальная семенная продуктивность в расчете на плод при свободном цветении (17.13±5.22) достоверно выше (t=[3.83; 5.51]> t05=1.96), чем при самоопылении при изоляции (4.94±1.87) и при искусственном самоопылении (8.18±2.20).

нелетнецветущими гемиэфемероидами с весеннераннелетней вегетацией. По результатам проведенных исследований успешность интродукции изученных форм G. tenuis в Пермском крае оценивается нами в 6 баллов, которые характеризуют высокую устойчивость к местным климатическим условиям. Изученные формы гладиолуса могут быть использованы в озеленении, а тетраплоидная форма – для включения в селекционные программы в качестве источника декоративных и ценных адаптивных признаков.

Таким образом, в условиях интродукции в Пермском крае обе формы G. tenuis являются ран-