Исследование мужской генеративной сферы как способ определения перспективности интродуцированных видов

Е ль колючая форма голубая ( Picea pungens f.glauca Engelm.) – интродуцент родом из Северной Америки. Благодаря строго ярусной архитектуре кроны и серебристо-голубой окраске хвои это дерево давно и успешно используется для озеленения улиц, садов и парков разных городов, в том числе и Воронежа.

Воронеж расположен в лесостепной зоне Центрального Черноземья, которая характеризуется засушливостью климата. Это – отрицательный экологический фактор, нарушающий интенсивный процесс семеношения, он несвойственен ареалу ели колючей формы голубой. В засушливые годы растения испытывают стресс от повышенной температуры воздуха и дефицита влаги. Особенности генеративного развития хвойных интродуцентов, формирования пыльцы, причины низкого качества семян, влияние факторов внешней среды в условиях лесостепной зоны, в том числе в условиях техногенного загрязнения, изучены недостаточно [1–4]. Н. В. Вехов отмечал, что даже в годы исключительных засух во многих городах степной зоны парковые культуры ели колючей показали высокую устойчивость и почти не снизили прирост [1]. Это дерево в городских условиях достаточно устойчиво к воздействию пыли и вредных газов.

Хвойные интродуценты, произрастая за пределами своего ареала, вынуждены адаптироваться к климатическим условиям лесостепной зоны. Их экологический потенциал по сравнению с местными видами существенно снижен, поэтому генеративная сфера более чутко откликается на состояние и изменение природной среды. Одним из важнейших показателей успешности адаптации интродуцентов является их способность образовывать всхожие семена, обеспечивая дальнейшее размножение вида в новых условиях. Для определения экологического потенциала и способности к акклиматизации Рicea pungens проведены работы по анализу качества пыльцы с учетом погодных условий.

Цель работы – изучить особенности развития генеративной сферы ели колючей формы голубой, определить жизнеспособность пыльцы методом проращивания in vitro, а также оценить влияние на эти характеристики места произрастания и метеорологических условий вегетационного периода.

Задачи исследования:

• ✓    Определить жизнеспособность пыльцы ели колючей in vitro и характер роста пыльцевых трубок в зависимости от условий произрастания деревьев, продуцирующих пыльцу, и уровня техногенного загрязнения места произрастания.

• ✓    Выявить изменение уровня жизнеспособности пыльцы и длины пыльцевых трубок изучаемого вида под влиянием изменения (повышения или понижения) температуры проращивания, а также зависимость от условий формирования, выявить аномалии в развитии пыльцы.

Объекты и методы исследований

В качестве объектов были выбраны:

• 1)    деревья с желтой и красной окраской микростробилов, произрастающие на семенных участках ели колючей ф. голубой в Экспериментально-показательном дендрарии ВНИИЛГИС-биотех (далее – дендрарий), расположенном в экологически чистом районе города; возраст деревьев – 36 лет;

• 2)    деревья с желтой окраской микростробилов, произрастающие в аллейных посадках ели колючей ф. голубой на улицах Железнодорожного района, одного из самых загрязненных в Воронеже, с высокой интенсивностью движения автотранспорта; возраст деревьев – 25–30 лет.

Фенологические наблюдения за развитием генеративной сферы проводили по методике Н. Е. Булыгина [5]. Характеристика метеорологических условий базируется на данных Воронежской гидрометеорологической службы.

Сбор пыльцы осуществляли в начале пыления. Образец каждой пробы представлял собой смесь пыльцы нескольких микростробилов. Микростробилы просушивали при 22–27 °С в бумажных пакетах, затем просеивали через мелкоячеистые сита. Пыльцу в стеклянных пробирках с ватными пробками помещали в эксикатор с хлористым кальцием и хранили в холодильнике при температуре +2…+5 °С до проращивания in vitro.

Эмбриологические исследования проводили по общей методике определения жизнеспособности пыльцы растений [6].

Пыльца проращивалась при различных температурах в условиях термостата в чашках Петри на питательной среде, содержащей агар, сахарозу и борную кислоту. Уровень прорастания in vitro , как показатель жизнеспособности пыльцы, устанавливали по результатам проращивания в течение 72 ч при температуре 27 °С, которая является стандартной при тестировании жизнеспособности [7], а также при повышенном (35 °С) и пониженном (18 °С) температурном режимах. Перед анализом препараты проросшей пыльцы окрашивали раствором Люголя для выявления уровня содержания крахмала. Анализ опытных образцов проводили с помощью микроскопа «Primo Star» при увеличении 4 x 16 и 10 x 16. Фотосъемка осуществлялась фотоаппаратом «Canon EOS 1000D» с программным обеспечением «EOS Utility». При этом учитывали число проросших пыльцевых зерен. Длину пыльцевых трубок определяли по фотоснимкам при помощи программы «AxioVision SE64 Rel.4.8». Статистическую обработку проводили с использованием программного продукта Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение

В 2013 г. вегетационный период начался в обычные для региона сроки – в первые числа апреля. Весна была дружная и без возвратных холодов. В течение апреля температурный режим соответствовал региональной норме. Во второй декаде апреля среднедекадная температура воздуха превысила порог 10 °С, сумма эффективных температур (ЭТ) выше 5 °С к концу месяца достигла 74,0 °С. Однако май был самый теплый за всю историю метеонаблюдений. Среднемесячная температура на 4,7 °С превысила региональную норму; 15–19 мая достигнуты новые температурные максимумы. Среднедекадная температура нарастала стремительно. К концу второй декады мая средне- декадная температура составила 22,7 °С, сумма эффективных температур – 436,4 °С.

Набухание генеративных почек ели колючей в 2013 г. началось 22 апреля при сумме ЭТ 82 °С. При сумме ЭТ 137,2 °С (29 апреля) произошло разрушение покрова колпачка и выход мужских стробилов из почек. Пыление микростробилов ели колючей в условиях городской среды началось 8 мая, в условиях дендрария – 12 мая, когда сумма ЭТ достигла 215,3 оС и 260,4 оС соответственно. Пыление продолжалось в течение 3 сут в сухую безветренную погоду.

В 2014 г. температурный режим апреля превысил региональную норму. Среднедекадная температура воздуха выше 10 °С зафиксирована также во второй декаде, сумма ЭТ выше 5 °С к концу месяца достигла 166,9 °С. Май также был теплее нормы на 3,7 °С, сумма ЭТ составила 323,1 °С. Пыление ели колючей началось 10 мая при достижении суммы ЭТ 235,1 °С и продолжалось в течение 4 сут в сухую теплую погоду.

Определение жизнеспособности пыльцы in vitro и характера роста пыльцевых трубок в зависимости от условий произрастания и уровня антропогенного загрязнения . При оценке статуса адаптации генотипа к условиям среды качество пыльцевых зерен является одним из важнейших показателей репродуктивной биологии, во многом определяющим способность амфимик-тично размножающихся растений к формированию полноценных семян. Микро- и гаметогенез оценивают функционально-адаптивные процессы, в числе прочих обеспечивающие надежность воспроизводства популяций растений [5].

Проведённое в 2013 г. исследование состояния мужского гаметофита в стандартных условиях проращивания (27 °С) показало, что жизнеспособность пыльцы деревьев желтопыльниковой формы ели колючей, произрастающих в экологически чистых условиях (дендрарий), практически вдвое выше, чем у деревьев, растущих в условиях техногенного загрязнения; однако значения длины пыльцевых трубок не имели значимых различий.

В 2014 г. для исследования были взяты те же деревья, а также дерево из дендрария с красной окраской микростробилов (рис.1 а и b). Разница в жизнеспособности пыльцы ели колючей из разных мест произрастания по результатам проращивания при стандартной температуре +27 оС была еще выше: от единичных проросших зёрен в условиях техногенного загрязнения до 73,0 % в экологически чистых условиях дендрария, при средней длине пыльцевой трубки – от 214 до 603 мкм.

двусторонне проросшие, образующие вздутия и ветвления пыльцевой трубки. При этом среди пыльцы деревьев, произраставших в условиях техногенной нагрузки, наблюдается большее количество зерен, оптически пустых и имеющих редуцированное тело (рис.1с).

Снижение жизнеспособности пыльцы в 2014 г. по сравнению с предыдущим годом, воз-

Рис. 1. Ель колючая:

а) микростробил краснопыльниковой формы; b) микростробил желтопыльниковой формы;

c) непроросшие и аномальные пыльцевые зёрна: 1 – непроросшие; 2 – оптически пустые;

3 – с редуцированным телом; 4 – с вздутием пыльцевой трубки; 5 – двусторонне проросшие;

6 – с ветвлением пыльцевой трубки

Жизнеспособность пыльцы дерева ели колючей с красными стробилами, растущего в дендрарии, составила 27,1±4,4 % (коэффициент вариации 15,88 %) при длине пыльцевых трубок 319±79 мкм (коэффициент вариации 24,83 %), а желтопыльниковой формы – 73,0±5,88 % (коэффициент вариации 7,93 %) при средней длине пыльцевых трубок 603±128 мкм (коэффициент вариации 21,16 %).

Пыльца ели колючей, произрастающей в условиях техногенного загрязнения, имела очень низкую жизнеспособность – проросли только отдельные пыльцевые зёрна, при средней длине пыльцевой трубки 214±60 мкм (коэффициент вариации 28,27 %).

Как в экологически чистых, так и в загрязнённых условиях встречались зёрна с различными аномалиями формирования пыльцевой трубки, а также собственно тела зерна. Среди пыльцевых зерен попадались единичные оптически пустые и зерна с редуцированным телом, а также можно, вызвано такими неблагоприятными метеорологическими условиями, как повышенная температура воздуха и недостаточное количество осадков.

Изменение уровня жизнеспособности пыльцы и длины пыльцевых трубок ели колючей в зависимости от изменения температуры проращивания и условий формирования пыльцы. С целью выявления адаптационных возможностей изучаемых видов определены уровни жизнеспособности пыльцы и длины пыльцевых трубок при различных температурных режимах. Для данного исследования, помимо оптимальной (27 °С), были выбраны температуры проращивания 18 и 35 °С, так как в лаборатории в условиях термостата невозможно получить стабильную температуру ниже 18 °С, а повышение температуры до 35 °С приводит к полной потере жизнеспособности вследствие гибели пыльцы растений, находившихся в условиях антропогенного загрязнения (рис. 2 и 3).

При культивировании пыльцы в условиях пониженного температурного режима (18 °С) у нормальных деревьев ели колючей, произрастающих в условиях Экспериментально-показательного дендрария, достоверных различий жизнеспособности и скорости роста пыльцевых трубок не наблюдается. Расхождения укладываются в пределы стандартного отклонения. Деревья, произрастающие в условиях антропогенного загрязнения, имеют низкие показатели жизнеспособности и длины пыльцевых трубок, но их изменения находятся в пределах стандартного отклонения.

Повышение температуры культивирования оказало большое влияние на характеристики проращиваемой пыльцы. Жизнеспособность пыльцы желтопыльниковой формы ели колючей при повышенной температуре культивирования составляла 38,4±6,7 % (коэффициент ва- риации 17,2 %) при длине пыльцевых трубок 198±81 мкм (коэффициент вариации 40,7 %). У деревьев ели колючей, произрастающих в условиях техногенного загрязнения, а также краснопыльниковой формы ели колючей произошла полная потеря жизнеспособности и гибель пыльцы.

Таким образом, стрессовые условия произрастания, недостаток влаги и, особенно, техногенное загрязнение, вызывают уменьшение возможностей адаптации пыльцевых зёрен к изменению температурного режима. При этом снижение температуры культивирования приводит к изменению жизнеспособности и скорости роста пыльцевых трубок, а повышение зачастую оканчивается гибелью пыльцы.

В то же время такие благоприятные условия формирования микроспор, как отсутствие загрязнителей и некоторая защита от недостатка

Рис. 2. Прорастание пыльцы ели колючей из благоприятных условий произрастания при разных температурах культивирования: a) +18 °С; b) +27 °С; c) +35 °С

Рис. 3. Прорастание пыльцы ели колючей из неблагоприятных условий произрастания при разных температурах культивирования: a) +18 °С ; b) +27 °С; c) +35 °С

Зависимость уровня жизнеспособности пыльцы и интенсивности роста пыльцевых трубок деревьев, произрастающих в разных условиях, от температуры проращивания

Год	Условия произрастания, форма ели колючей	Жизнеспособность, %, при температуре, °C			Длина пыльцевых трубок, мкм, при температуре, °C
		18	27	35	18	27	35
	Дендрарий, жёлтопыльниковая	82,5±5,4	86,0±5,2	70,4±4,0	395±81	200±77	85±19
2013	Городские условия, жёлтопыльниковая	30,3±5,7	40,2±9,9	0	294±77	296±69	0
	Дендрарий, жёлтопыльниковая	73,4±2,9	73,0±5,9	38,4±6,7	466±123	603±128	198±81
2014	Дендрарий, краснопыльниковая	18,2±3,3	27,1±4,4	0	198±35	319±79	0
	Городские условия, жёлтопыльниковая	3,0±0,3	4,1±1,9	0	129±30	214±60	0

влаги и других неблагоприятных факторов среды (условия питомника), приводят к повышению адаптационных возможностей. В результате этого характеристики мужского гаметофита (жизнеспособность пыльцы, длина пыльцевой трубки) при пониженном тепловом режиме проращивания практически не отличаются от таковых при стандартных условиях, а при повышенном – изменяются, но гибели пыльцы при этом не происходит.

Выводы

В условиях городской среды у ели колючей отмечается смещение начала генеративного развития на более ранние сроки.

Определена жизнеспособность пыльцы ели колючей при стандартных условиях проращивания. В 2013 г. она составляла 40,2 % у дерева из городских условий и 86 % у дерева из дендрария, в 2014 г. варьировала от единичных проросших зёрен в условиях технопогенной нагрузки до 73 % у дерева из дендрария. Средняя длина пыльцевых трубок при стандартных условиях проращивания в 2013 г. составляла 200 мкм у дерева из дендрария и 296 мкм у дерева из городских условий, а в 2014 г. – 213,6 мкм у дерева из городских условий и 318,8 и 602,5 мкм у ели желтопыльниковой и краснопыльниковой форм из питомника.

Снижение температуры культивирования пыльцы практически не оказало влияния на ее жизнеспособность и среднюю длину пыльцевых трубок, различия укладывались в пределы стандартного отклонения. Повышение же температуры проращивания вызвало значимое снижение жизнеспособности пыльцы и средней длины пыльцевых трубок у деревьев из питомника и привело к полной потере жизнеспособности и гибели пыльцы деревьев из городских условий.

Показано, что основными аномалиями в развитии являются: оптически пустые пыльцевые зерна и зерна с редуцированным телом; двустороннее прорастание зерна, приводящее к формированию двух пыльцевых трубок; образование вздутий на конце пыльцевой трубки; ветвления пыльцевой трубки; прорастание трубки через пыльцевой мешок; а также их различные комбинации.

Снижение жизнеспособности пыльцы в 2014 г. по сравнению с предыдущим годом, возможно, обусловлено такими менее благоприятными метеорологическими условиями, как повышенная температура воздуха и недостаточное количество осадков в период микроспорогенеза.

Таким образом, анализ жизнеспособности пыльцы и длины пыльцевых трубок подтверждает в целом хорошую приспособленность ели колючей к климатическим условиям Воронежа и, соответственно, её перспективность для лесостепной зоны. Однако выявлено отрицательное воздействие стрессовых условий, особенно техногенного загрязнения, на генеративную сферу данного вида хвойных интродуцентов, которое может значительно ухудшать её адаптивные возможности.