Изучение стадий развития зародыша можжевельника сибирского и их влияние на прорастание семян

Введение. Juniperus sibirica Burgsd. – вечнозеленый низкорослый, стелющийся хвойный кустарник семейства кипарисовых. В диком виде растет в горных районах Средней Азии, Крыму, Алтае-Саянской горной области, на Кавказе, Дальнем Востоке и в Сибири [1].

Можжевельник сибирский – вид, который нуждается в защите и изучении [1–3], имеет высокие декоративные качества, отличается медленным ростом.

Актуальность исследований. Можжевельник сибирский – уникальный биологический вид. Природная форма очень привлекательна благодаря темно-зеленой игольчатой хвое с яркими белыми устьичными полосками. Очень декоративен. Морозостоек и неприхотлив, растет медленно. Можжевельники приобретают все большую популярность в ландшафтном дизайне и могут смело конкурировать с другими хвойными растениями. Однако для большинства видов характерна одна проблема – низкая всхожесть семян.

Цель исследования. В связи с вышеизложенным целью исследования является поиск причин низкой всхожести семян можжевельника сибирского и путей решения этой проблемы.

Задачи исследования. В задачи исследования входило изучение литературных источников по данной проблеме, наблюдение стадий развития зиготических зародышей можжевельника сибирского в разные периоды цикла развития в естественных и искусственных популяциях, цитологический анализ собранных образцов, установление причин долгого непрорастания семян можжевельника сибирского, изучение эффективности традиционной стратификации в решении данной проблемы и предложение альтернативного метода.

Объекты и методы исследований. Объектом исследования является можжевельник сибирский, произрастающий в разных районах Красноярского края.

Для изучения стадий развития зиготических зародышей были собраны образцы шишкоягод можжевельника сибирского, произрастающего в нескольких районах Красноярского края в разные периоды цикла развития. Для цитологических исследований семена, извлеченные из шишкоягод с удаленной кожурой, фиксировали в смеси Навашина [4]. Дальнейшую обработку материала проводили по общеизвестной методике [5]. Парафинированные образцы резали на ротационном микротоме. Толщина срезов 7–12 мкм.

Срезы окрашивали проционовыми красителями [6, 7]. Окрашивание проводили на депарафинированных срезах. Комбинированная окраска белков и углеводов осуществлялась проционом ярко-синим RS и проционом ярко-красным 2 RS [6]. Промытые водой срезы помещали в 0,1 % раствор проционового ярко-синего в фосфатном буфере с pH 5,6–6,0 в течение 1 ч при температуре 56–60ºС. Срезы промывали и окрашивали 0,1% содовым (Na2CO3) раствором проционового красного в течение 25 мин при комнатной температуре. Далее их промывали дистиллированной водой, обезвоживали и бальзамировали. Приготовление постоян- ных препаратов проводили в Институте леса имени В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук в лаборатории лесной генетики и селекции.

Просмотр микроскопических образцов осуществляли на микроскопе «Olympus», Япония. Морфологические изменения фиксировали цифровой видеокамерой «Nikon», Япония.

Результаты исследований и их обсуждение. Основным препятствием для естественного и искусственного возобновления можжевельников является низкая всхожесть семян. Согласно данным разных ученых, всхожесть семян можжевельника варьируется от 0 до 5,2% [8–11]. Одной из основных причин долгого непрорастания семян можжевельника многие авторы называют глубокий физиологический покой [8, 11–14]. Покой семян можно отнести к комбинированному типу, при котором задержка прорастания вызывается и свойствами покровов, и состоянием внутренних частей семени (низкое содержание физиологически активных веществ и слабая активность ферментов). На прорастание семян оказывают влияние и семенные покровы (семенная кожура, эндосперм).

Некоторые авторы склоняются к другой точке зрения и основной причиной низкой всхожести семян можжевельника называют недоразвитие зародыша [14, 15].

Для нарушения состояния покоя семян, полученных из зрелых шишкоягод, чаще всего используют стратификацию. Однако, по данным многих исследователей, всхожесть семян можжевельника увеличивается незначительно. Так, после холодной стратификации в течение трех месяцев этот показатель достиг максимума в 9,3% [16, 17]. Холодная стратификация и стратификация переменными температурами в течение 9 месяцев увеличила всхожесть семян можжевельника до 35% [8, 9].

В связи с вышеназванными проблемами (глубокий физиологический покой и недоразвитие зародыша) целесообразно рассмотреть стадии развития зиготического зародыша можжевельника.

Зиготические зародыши в семенах можжевельника, как и других голосеменных растений, проходят несколько последовательных стадий развития: глобулярную, сердечковидную, торпедовидную («торпедо»), стадию инициации семядолей и стадию зрелого зародыша (рис. 1).

глобулярная сердечковндная   торпедовидная    стадия       зрелый зародыш стадия       стадия           стадия            инициации семядолен

Рис. 1. Стадии развития зиготического зародыша можжевельника сибирского

Весь цикл развития (от закладки мегастробилов до созревания семян) протекает за 3–4 года [8, 13]. В первый вегетационный период закладываются мегастробилы, во второй происходит их опыление. Весной третьего вегетационного периода мегастробилы, опыленные в предыдущем году, с наступлением положительных температур начинают быстро развиваться. Семенные чешуи разрастаются и образуют шишкояго-ды, созревающие на следующий год.

В данной работе мы наблюдали стадии развития зародышей можжевельника сибирского, произрастающего в разных районах Красноярского края (естественные и искусственные ареалы произрастания) в разные периоды. Следует отметить, что один и тот же период сбора шишкоягод показал разное состояние зародышей в семенах в зависимости от района произрастания. Например, в семенах можжевельника сибирского, ягоды которого собраны в третьей декаде июля 2012 года в Якутии (пойма р. Витим), зародыши находились в сердечковидной стадии и стадии раннего «торпедо», а в семенах можжевельника сибирского, ягоды которого собраны в этот же период в пригороде г. Красноярска (дендрарий СибГТУ), зародыши находились уже в стадии позднего «торпедо» и даже в стадии инициации семядолей. Сравнение состояния зародышей семян можжевельника сибирского, ягоды которого собраны в пригороде Красноярска – дендрарий

СибГТУ (третья декада июля 2012) и в питомнике Института леса им. В.Н. Сукачева «Погорельский бор» – 38-й км от г. Красноярска (третья декада сентября) показало, что все зародыши находились в стадии позднего «торпедо» и стадии инициации семядолей, несмотря на разницу в два месяца. Стадию зрелого зародыша зафиксировали во второй декаде октября 2011 и 2012 годов в питомнике «Погорельский бор».

Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что зиготические зародыши семян можжевельника сибирского находятся на разных стадиях развития в зависимости от места произрастания. В более суровых условиях развитие зародышей замедляется значительно. Это является одной из причин долгого непрорас-тания семян. Однако наблюдения за стадиями развития зародышей в конце первой – начале второй декады октября 2011–2012 гг. в питомнике «Погорельский бор» и дендрарии СибГТУ показали, что в это время зародыши уже сформированы полностью. Проблема недоразвития зародыша имеет место до тех пор, пока зародыши развиваются (примерно до конца первой декады октября). А далее, когда зародыши сформировались, наступает глубокий физиологический покой, являющийся серьезным препятствием для прорастания семян можжевельника.

Для цитологического анализа образцы фиксировали, резали на микротоме, окрашивали проционовы-ми красителями [7], приготовление постоянных препаратов вели по общеизвестной методике [4]. Просмотр микроскопических образцов осуществляли на микроскопе «Olympus», Япония. Морфологические изменения фиксировали цифровой видеокамерой «Nikon», Япония. Цитологические исследования проводили в лаборатории лесной генетики и селекции Института леса им. В.Н. Сукачева.

На рисунке 2 представлен срез зрелого семени можжевельника сибирского.

Рис. 2. Срез зрелого семени можжевельника сибирского (вторая декада октября 2011 г.)

На срезе представлен зрелый зиготический зародыш, окруженный эндоспермом. Четко видны сформированные семядоли, точка роста побега, гипокотиль, корешок. Зародыш полностью занимает коррозийную полость (зародышевый канал). На данном этапе наблюдается состояние глубокого физиологического покоя, процент прорастания стремится к нулю.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что главной причиной долгого непрорастания семян можжевельника сибирского является состояние глубокого физиологического покоя. Формирование зароды-39

ша заканчивается к концу первой – началу второй декады октября. Зародыши из зеленых шишкоягод или частично черно-синих (третья декада сентября) еще недоразвиты (стадия позднего «торпедо», реже стадия инициации семядолей), вследствие чего прорастание семян растягивается на 2–3 года. Следовательно, целесообразнее использовать шишкоягоды, достигшие полной морфологической зрелости (черно-синие шиш-коягоды). А для выведения зародыша из состояния покоя применять технологию стратификации in vitro.

Выводы

Проведенные исследования показали, что одной из основных причин долгого непрорастания семян можжевельника сибирского является состояние глубокого физиологического покоя комбинированного типа. Недоразвитие зародыша характерно для семян примерно до конца первой декады октября, хотя эти сроки могут меняться в зависимости от места произрастания можжевельника. По нашим наблюдениям, зародыши в семенах из зеленых (недозрелых) или частично черно-синих шишкоягод недоразвиты (стадия позднего «торпедо», реже стадия инициации семядолей) (конец третьей декады сентября). Зародыши в синих шишко-ягодах (конец первой – начало второй декады октября) на этапе полной морфологической зрелости полностью сформированы. Однако в этот период процент прорастания семян очень незначителен. Поскольку традиционная стратификация недостаточно эффективна, в качестве альтернативы может выступать более современный и прогрессивный метод – стратификация in vitro.