Искусственные межвидовые гибриды рода Leymus (Hochst.) Poaceae

Род Leymus Hochst. входит в хозяйственно важную трибу злаков Triticeae и включает многолетние перекрестно-опыляющиеся злаки со сложным геномом NsXm, с хромосомными числами 2n = 28, 42, 56, 84 [Dewey, 1984; Love, 1984; Wang et al., 1994]. По данным разных авторов, род содержит различное число видов: по D. R. Dewey [1984] — 30; по A. Love [1984] — 32; по Н. Н. Цвелеву [1976] — 50, распространенных в умеренных районах Евразии, Северной Америки и Южной Америки, простирающихся до субтропиков и тропических альпийских областей [Barkworth, Atkins, 1984; Zhi, Teng, 2005; Fan et al., 2009; Sha et al., 2008, 2017]. Благодаря разнообразию морфологии, цитологии, экологии и широкому распространению род Leymus является хорошей моделью для изучения полиплоидного видообразования [Zhang, Dvorak, 1991; Yen, Yang, 2008]. Высокая плоидность многих видов и межвидовая гибридизация препятствуют созданию четкой системы рода и усложняют разграничение видов. В роде Leymus спонтанная гибридизация составляет особую трудность в идентификации образцов, но существенным является то, что отличаются дальнейшие пути развития и биологическое значение образовавшихся гибридов. Абсолютно стерильные гибриды рода Leymus могут существовать многие сотни лет за счет интенсивного вегетативного размножения и занимать обширные территории, распространяя корневища по сезонным водным потокам на большие расстояния. А также могут образовываться полиплоидные гибриды.

Исследования, проведенные в рамках проекта РФФИ 04-04-48720, показали, что распространение в Южной Сибири низкофертильных или стерильных клонов рода Leymus гибридного происхождения значительно шире, чем можно было ожидать исходя из формального списка произрастающих видов. Вероятнее всего, в процессе образования гибридных клонов, интенсивно размножающихся вегетативно, принимает участие ограниченный набор таксонов с нормальным гаметогенезом и высокой семенной продуктивностью при перекрестном опылении. В последние годы описано много новых видов с территории Внутренней Азии (Южная Сибирь) Г. А. Пешковой [1985, 1990] и Центральной Азии (Китай) Cai Lian-Bing [1995, 2000], Cui Da-Fang [1998].

В статье приводятся наши результаты получения межвидовых гибридов рода Leymus искусственным путем.

Материал и методика

В 2005–2007 гг. на экспериментальном участке ЦСБС СО РАН была создана большая коллекция из живых образцов разных видов рода Leymus из разных регионов Сибири (Алтай, Тува, Бурятия). На основе этой коллекции в 2008– 2010 гг. нами было создано несколько межвидовых гибридов рода Leymus с участием L. chinensis (Trin.) Tzvel., L. littoralis (Griseb.) Peschkova, L. dasystachys (Trin.) Pilger, L. paboanus (Glaus) Pilger: 1. L. chinensis (Бурятия № 36) x L. litto-ralis (Бурятия); 2. L. chinensis (Бурятия) x L. dasystachys (Алтай); 3. L. chinensis (Бурятия) x L. paboanus (Тува). В таблице 1 даны морфологические характеристики родительских видов. Межвидовая гибридизация была проведена простым скрещиванием между родительскими видами путем кастрации и принудительного опыления. Кастрацию проводили после выколашивания растений перед началом цветения. С помощью пинцета удаляли менее развитые нижние и верхние колоски в колосе, затем в колоске менее развитые верхние и средние цветки. При кастрации из каждого нормально развитого цветка пинцетом удаляли три тычинки, не травмируя рыльца. Кастрированный колос помещали в одиночные изоляторы. Виды рода Leymus по типу цветения являются послелуденными злаками и поэтому принудительное опыление производили с 14 до 18 ч зрелыми тычинками родительских видов, которые пинцетом переносили и высыпали на рыльца кастрированных цветков и защищенных изолятором.

Гибридные семена F1 поколения были высеяны осенью 2008 г. после искусственной яровизации. В 2009 г. все растения сформировали первичные кусты, состоящие у одних только из укороченных, у других из укороченных и удлиненных побегов. Но в первый год все гибридные растения не сформировали колосья, так как виды рода Leymus являются ди- и полициклическими видами. В 2010 г. некоторые гибридные растения сформировали колосья (рис. 1), что дало возможность провести изучение морфологических признаков генеративных органов и поверхность листовых пластинок как важнейших для таксономии видов, с помощью электронного сканирующего микроскопа Hitachi TM-1000 с высоким разрешением.

Места сбора образцов родительских видов, их морфологические характеристики

Таблица 1

Вид	Место сбора образцов	Жизненная форма	Опушение нижних цветковых чешуй	Опушение влагалищного сочленения	Опушение листовой пластинки с адаксиальной стороны
L. chinensis	Бурятия	Длиннокорневищная	Голые	Густо-опушенные длинными волосками	Опушенная длинными волосками
L. chinensis	Бурятия	Длиннокорневищная	Голые	Голые	Опушенная длинными волосками
L. littoralis	Бурятия	Длиннокорневищная	Опушение длинными волосками	Голые	Опушенная короткими шипиками
L. asystachys	Алтай	Длиннокорневищная	Опушение длинными волосками	Голые	Опушенная короткими шипиками
L. paboanus	Тува	Плотнокустовая	Опушение длинными волосками	Голые	Густоопушенная длинными волосками

Результаты и обсуждение

6-1. Гибрид L. chinensis x L. littoralis в 2009 г. состоял из четырех укороченных, трех удлиненных побегов и четырех корневищных отбегов. Удлиненные побеги в большей части присущи L. chinensis ; L. littoralis формирует только укороченные побеги. Оба родительских вида являются длиннокорневищными растениями, и для них характерны корневищные отбеги. В 2010 г. гибрид сформировал колосья. Пыльники все были закрыты. Нами проведен анализ родительских видов и полученного гибрида по следующим признакам: а) поверхность нижних цветковых чешуй (НЦЧ) (рис. 2); б) сочленение влагалища листа и листовой пластинки (СВЛ-ЛП) (рис. 3); в) адаксиальная часть листовой пластинки (ЛП) (рис. 4).

Исследование показало, что у гибрида НЦЧ опушены как короткими шипиками, так и длинными волосками.

У L. chinensis НЦЧ опушены только очень короткими шипиками, которые видны только на электронном микроскопе, и определяется признаком «голые НЦЧ». У L. littoralis НЦЧ опушены длинными волосками. Этот признак является диагностическим у видов рода Leymus .

По признаку СВЛ-ЛП выявлено, что у гибридного растения сочленение густо опушено длинными волосками, как и у родительской формы L. chinensis .

У L. littoralis СВЛ-ЛП опушено очень короткими шипиками, длинные волоски отсутствуют. У гибридного растения листовая пластинка с адаксиальной стороны покрыта короткими шипиками, как у L. littoralis , но в то же время редко встречаются длинные волоски, как у L. chinensis .

Таким образом, гибридное растение имеет признаки обоих родительских видов: опушенные НЦЧ от L. littoralis , опушенные СВЛ-ЛП от L. chinensis , и редкое опушение длинными волосками (от L. chinensis ) листовой пластинки с адаксиальной стороны и шипиками (от L. littoralis ). Родительский вид L. chinensis (Бурятия № 36) имеет происхождение из Еравнинской котловины Бурятии, и для него характерны очень опушенные влагалища листовой пластинки, что не всегда встречается у разных популяций L. chinensis .

Рис. 1. Экспериментальный участок ЦСБС СО РАН с выращенными гибридами рода Leymus , 2010 г.

Рис. 2. Колос; характер опушения нижней цветковой чешуи, в средней части колоса:

1 — гибрид L. chinensis x L. littoralis ; 2 — L. chinensis ; 3 — L. Littoralis

ТМ-10С0 037І          2010 08-27 L D3.7 кЗСО 300 urn

ТМ-1000 0867

2010.08.27

D4.4 х50

ТМ-1000_0866

2010.08.27

L D4 4 х50     2 mm

ТМ-1000_0864

2010.08.27

L D3.7 хЮО 1 mm

Рис. 3. Характер сочленения влагалища и листовой пластинки:

4 — гибрид L. chinensis x L. littoralis ; 5 — L. chinensis ; 6 — L. littoralis

ТМ-1000_0862          2010.08.27 L D4.5 х200   500 um

Рис. 4. Характер опушения листовой пластинки с адаксиальной стороны: 7 — гибрид L. chinensis x L. littoralis ; 8 — L. chinensis ; 9 — L. Littoralis

Основным диагностическим признаком длиннокорневищного вида L. chinensis являются голые и гладкие НЦЧ. К этому признаку мы добавляем признак опушения длинными волосками адаксиальной стороны листовой пластинки.

Следует отметить, что в природе вид L. chinensis имеет много форм, которые отличаются сизым восковым налетом; цветом от сизого, зеленого и желтоватого; опушенностью влагалищ листа, степенью опушенности (очень обильное, обильное, редкое); формой и размерами колоса, количеством колосков на уступе (от одного до двух); шириной основания колосковых чешуй: от ланцетного до узколанцетного.

Существующие формы и экотипы, а также изменчивость диагностических признаков L. chinensis хорошо освещены в работах китайских ботаников [Ren et al., 1999], а также в нашей публикации [Бадмаева и др., 2006]. В природе существует гибридный вид между L. chinensis x L. littoralis , описанный Г. А. Пешковой как L. buriaticus Peschkova [Пешкова, 1985], распространенный в Восточной Сибири при наложении ареалов двух родительских видов. Результаты по изучению этого гибридного вида в популяциях родительских видов представлены в нашей публикации [Бадмаева и др., 2010].

6-2. Гибрид L. chinensis x L. dasystachys (рис. 5). Гибридное растение в 2009 г. сформировало рыхлый куст из 5 укороченных и 2 удлиненных побегов с двумя корневищными отбегами. Растение в 2010 г. колосилось, но семян не было, пыльники все были закрыты. У гибрида присутствуют родительские признаки, которые являются диагностическими в роде Leymus . Так, от L.chinensis растение унаследовало голые НЦЧ, тогда как у L. dasystachys НЦЧ всегда опушены длинными волосками (рис. 6). От L. dasystachys гибрид унаследовал опушенные длинными волосками уступы колоса и оси колоска и колоса, а также листовые пластинки, опушенные с адаксиальной стороны шипиками (шипики у гибридного растения более редки, чем у L. dasystachys ).

6-3. Гибрид L. chinensis x L. paboanus (рис. 7). Гибридное растение сформировало компактный куст из укороченных побегов. В 2010 г. колосилось. Пыльники были все закрыты. Удлиненные вегетативные побеги, характерные для L. chinensis , отсутствуют.

По общему габитусу вегетативных побегов растение схоже с L. paboanus (компактный куст, узкие листья вегетативных и генеративных побегов). Для L. chinensis характерны более широкие листья. По колосу и расположению колосков гибридное растение схоже с L. chinensis , но при этом нижние цветковые чешуи опушены, что не характерно для L. chinensis (голые НЦЧ), но опушение более редкое, чем у L. paboanus .

По характеру опушения листовой пластинки с адаксиальной стороны гибридное растение имеет признаки обоих родительских видов (опушение длинными волосками, как у L. chinensis , и шипиками, как у L. paboanus (рис. 8). В природе такой гибрид не отмечен, так как ареалы родительских видов не совпадают.

Рис. 5. Гибрид L. chinensis x L. dasystachys :

10 — нижняя цветковая чешуя; 11 — колосковые чешуи, нижняя часть, у уступов;

12 — поверхность листовой пластинки

Рис. 6. Характер опушения L. dasystachys :

13 — нижняя цветковая чешуя, средняя часть; 14 — поверхность листовой пластинки

Рис. 7. Гибрид L. chinensis x L. paboanus :

15 — характер опушения нижней цветковой чешуи; 16 — листовая пластинка с адаксиальной стороны, опушенная шипиками и длинными волосками

TM-1000J118        2010.12.08 L D2.8 хЮО 1mm

М-1000_1127           2010.12.08 L D2.7 х50

Рис 8. L. paboanus (Тува):

17 — характер опушения нижней цветковой чешуи; 18 — листовая пластинка с адаксиальной стороны, опушенная короткими шипиками

Заключение

Получены искусственные межвидовые гибриды рода Leymus в трех комбинациях: 1. L. chinensis x L. littoralis ; 2. L. chinensis x L. dasystachys ; 3. L. chinen-sis x L. paboanus . Таким образом, по предварительным данным установлено, что растения видов рода Leymus легко скрещиваются между собой.