Морфология и особенности реализации жизненных функций пыльцы Pinus radiata D.Don в условиях интродукции на южном берегу Крыма

Введение. Изучение особенностей морфологических и биометрических признаков в связи с действием внешних факторов позволяет выявить закономерности и механизмы формирования, сохранения и преобразования конструкции организма и ее элементов, осуществляемых в процессе индивидуального развития (Мамаев, 1973; Глотов, 1983; Коба, 2012). Особый интерес эти исследования представляют для растений, которые находятся за пределами своего естественного ареала - в условиях интродукции. Важными показателями успешной акклиматизации растений являются нормальное развитие репродуктивных структур, успешное прохождение процессов опыления, оплодотворения и в конечном итоге формирование полноценных семян (Ругузова, 2012). Количественные и качественные характеристики пыльцевых зерен, а также их отдельных элементов являются важнейшими показателями в эколого-генетических и селекционных исследованиях (Некрасова, 1983). Репродуктивный потенциал хвойных растений в условиях экологического стресса часто не реализуется, в результате чего продуцируются семена низкого качества. Наиболее чувствительной к воздействию стресса является мужская генеративная сфера, что является причиной развития различных аномалий формирования пыльцы. Спектр и количество аномалий многие авторы рассматривают как показатель состояния биологического объекта в различных экологических условиях

(Тупицын, 2012; Третьякова И.Н., 2004).

Сосна лучистая (Pinus radiata D. Don) естественно произрастает на побережье Центральной части Калифорнии на высоте до 300 м н.у.м. В природных условиях этот вид занимает площадь несколько десятков гектаров. В начале прошлого столетия были проведены исследования по испытанию сосны лучистой в Южном полушарии, где она оказалась весьма перспективной и сейчас формирует обширные искусственные насаждения в Новой Зеландии, Австралии, Южной Африке и Чили (Тахтаджян, 1978).

Р. radiata культивируется в Европе с 1833 г. В Никитский ботанический сад была интродуцирована в 1844 г. семенами из Мексики. Были предприняты также попытки интродукции из Германии и Англии (1845 г.), Франции, Эрфурта, Иены (I860 г.) и Эдинбурга (1862 г.) (Забелин, 1959). '

Сосна лучистая представляет собой дерево высотой 15-30 м, диаметром ствола 30-90 см. Крона широко-коническая, округлая, занимает 10-20% общей высоты дерева. Хвоя длиной 10-15 см, собрана по 3 хвоинки, иногда встречается по 2, держится на побеге 3-4 года. Микростробилы 10-15 мм длиной, эллипсоидно-цилиндрические, оранжево-коричневые. Женские шишки 7-15 см, ассиметричные, желто-коричневые, блестящие, созревают в феврале на второй год после опыления, долго остаются на дереве закрытыми. Семена около 6 мм, темно коричневые, крыло 20-30 мм. Переносит понижения температуры -12,1 °C до -6,7 °C (Kral, 1993).

В отечественной литературе имеется крайне ограниченная информация по описанию морфологических и биометрических признаков пыльцы Pinus radiata D. Don. В условиях Южного берега Крыма (ЮБК) изучение данных характеристик проведено впервые

Методика. Посадки сосны лучистой 1963 года находятся в одном из четырех парков Никитского ботанического сада - в парке Монте дор. Территория парка располагается на одноименном мысе до 90 м н.у.м., имеет южную экспозицию. Мыс Монтедор сложен отложениями древнего оползня, подстилаемыми коренными породами - глинистыми сланцами с прослоями песчаников таврической формации. Почвы участка проведения наблюдений - коричневые карбонатные слабо-и среднещебнисто-хрящеватые малогумусные на смешанном делювии известняков и глинистых сланцев (Казимирова и др., 2003). По климатическим условиям данный район относится к сухим субтропикам. Жаркое сухое лето, относительно теплая зима (Бажов, 1977). Среднегодовая температура в районе расположения парка составляет +12,5°С. Средняя температура зимнего периода +3,2°С, летнего +23,4°С. Абсолютный минимум, зафиксированный в феврале 1930 г., составил -14,6°С, максимум в августе 1998 г. +39°С.

Среднегодовое количество осадков для данного района - 589 мм, большая их часть выпадает в осенне-зимний период (Плугатарь, 2015). Полив территории не проводится. На участках проведения исследования произрастают автохтонные виды: Pinus nigra subsp. pallasiana (Lamb.) Holmboe, Arbutus andrachne L. и интродуцированные: Pinus greggii Engelmann ex Parlatore, Bupleurum fruticosum L. - в качестве инвазионного вида.

Объект исследования - свежесобранная пыльца сосны лучистой. Материал для изучения отбирали в период массового пыления с нижней трети кроны модельных деревьев в сухую, безветренную погоду. С использованием временных ацетокарминовых препаратов (Паушева, 1980) изучали морфометрические параметры пыльцевых зерен, спектр и количество аномалий пыльцевых зерен, а также их жизнеспособность. Размеры пыльцы определяли по методике М.Х. Моносзон-Смолиной (1949). По образцам пыльцы модельных деревьев измеряли общую длину, длину и высоту тела пыльцевого зерна, длину и высоту летательного мешка 150 пыльцевых зерен. Подсчитывали количество нормальных и аномальных пыльцевых зерен в 10 полях зрения с фиксацией количества нарушений развития пыльцевого зерна. Жизнеспособность пыльцы определяли проращиванием по методу «висячей капли» (Пятницкий, 1961) с использованием водных растворов сахарозы 2%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25% и дистиллированной воды. Оценивали жизнеспособность пыльцы, измеряли длину пыльцевых трубок. Анализировали особенности формирования пыльцевых трубок. Исследование проводили с использованием микроскопа ЛОМО Микмед-5 и компьютерной программы MCview. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с помощью программы Excel по общепринятым методикам в биометрии (Лакин, 1990).

Результаты и обсуждение. Дендрометрические характеристики исследуемых экземпляров приведены в табл. 1. Высота деревьев изменяется от 5 до 12 м, окружность ствола - от 41 до 106 см. Параметры кроны значительно отличаются: максимальные - 6><7 м, минимальные - 3x2 м.

Размеры высоты и диаметра ствола растений на участке проведения исследования уступают параметрам, которые приводятся для этого вида в условиях естественного ареала. У всех экземпляров наблюдалось плодоношение. Количество микростробилов в одном колоске значительно варьирует - от нескольких штук до 34. Жизненное состояние модельных деревьев можно оценить как удовлетворительное и хорошее.

Полинация Р. radiata на ЮБК начинается раньше других интродуцированных и аборигенных видов сосны (рис. 1).

Таблица!

Дендрометрические характеристики модельных деревьев Р. radiata в условиях интродукции на ЮБК

№	Высота, м	Окружность ствола, см	Параметры кроны, м	Жизненное состояние	Плодоношение	Высота крепления живой ветки,м	Среднее количество микростробилов в колоске, шт.
1	7	48	2x5	Уд.	+	2,2	15
2	8,5	69,5	4x8	Хор.	+	1,8	21
3	10	106	7x5	Хор.	+	1,7	13
4	5	41	3x2	Уд.	+	0,5	13
5	12	84	6x7	Хор.	4-	1,7	10

________________ Месяц

__________________ Декада

Р. radiata D. Don

(Родина Сев. Америка)

Апрель

Май

Июнь

P. sabiniana Douglas in Lamb. (Родина Сев. Америка)

Р. nigra subsp. pallasiana (Lamb.) Holmboe (Родина Крым)

P. bungeanaZucc. ex Endl. (Родина Китай)

P. pinea L.

(Родина Средиземноморье)

Рис. 1. Фенологический спектр полинации некоторых видов сосен произрастающих в условиях ЮБК

По литературным данным, пыление сосны лучистой в условиях интродукции в Южном полушарии (Новая Зеландия) проходит в начале сентября, примерно на 2 недели раньше других видов сосны. На ЮБК в климатических условиях 2016 г. начало пыления отмечалось в конце первой декады апреля, при среднесуточной температуре воздуха +15°С и сумме положительных температур >5°С - 489°С. В 2017 г. эта фенофаза наблюдалось в начале второй декады апреля при среднесуточной температуре +7,7°С и сумме положительных температур >5 °C 45 5°C. Несмотря на существенные различия температурных режимов (33 °C) 2016-2017 гг., период лета пыльцы продолжался 10-11 дней.

В условиях ЮБК общая длина пыльцевого зерна сосны лучистой колеблется от 90,7 до 125,9 мкм, среднее значение - 107,2±0,2 мкм, при коэффициенте вариации - 5,1%. Эти показатели превышают размеры, которые приводят ряд исследователей для аборигенного вида -Р. pallasiana D. Don. (Коба, 2005; Коршиков и др., 2014) Длина тела зерна - от 47,7 до 81,8 мкм, среднее 64,7 мкм (C.V. - 9,4%). Высота тела пыльцевого зерна изменяется в пределах 46,3-68,2 мкм, среднее значение - 58,2±0,2 мкм, коэффициент вариации - 6,9%. Длина воздушных мешков варьирует от 23,8 до 53,5 мкм, средний показатель составил 36,9±0,1 мкм (C.V. - 14,0%). Высота воздушных мешков имеет размеры 35,7-73,3 мкм, средняя - 55,1±0,3 мкм, (C.V. - 11,3%).

а) нормально развитые пыльцевые зерна (увеличение 40x10, масштабная линейка 50 мкм)

б) пыльцевые зерна с одним летательным мешком

в) аномально-мелкое и пыльцевое зерно с тремя летательными мешками Р и с. 2. Пыльцевые зерна Р. radiata

Анализ качества пыльцы показал, что 89,8% пыльцевых зерен нормально развиты, 10,2 % имеют аномалии. Были выявлены следующие отклонения в развитии пыльцы: аномально мелкие пыльцевые зерна - 0,5% от общего количества; с аномалиями формирования воздушных мешков - 3,4%; аномалии тела пыльцевого зерна - 6,3%. Артефакты развития воздушных мешков имеют следующие характеристики: пыльцевые зерна с 1, 3, 4 воздушными мешками - 1,2 % (рис. 2: а, б, в), а также недоразвитыми и видоизмененными - 2,2%. Аномалии тела пыльцевого зерна -линзовидные (5,2%) и истощенные зерна (1,1%).

Уровень жизнеспособности пыльцы при проращивании на контрастных средах характеризует ее толерантность и в той или иной степени отражает жизненный потенциал растений (Коба, 2005).

Изучение особенностей формирования пыльцевых трубок на водных растворах сахарозы различной концентрации свидетельствует о высоком уровне динамики показателей жизнеспособности пыльцы (рис. 3). '

Концентрация раствора сахарозы

Р и с. 3. Показатели жизнеспособности пыльцы Р. radiata в условиях интродукции на ЮБК.

При использовании дистиллированной воды жизнеспособность составила 69%, при этом у 17% пыльцевых зерен наблюдалось разветвление пыльцевых трубок (рис. 4). На 2% растворе сахарозы жизнеспособность составила 75,4%, количество трубок с разветвлением также увеличилось - 18,3%.

Р и с. 4. Аномалии развития пыльцевых трубок Р. radiata (увеличение 10x10, масштабная линейка 50 мкм)

При использовании 5% раствора жизнеспособность снизилась 71,1%, в этих условиях помимо пыльцевых зерен с разветвлением

(10,7%), в 9,4 % случаев наблюдалось дорзовентральное формирование пыльцевых трубок. Наиболее низкая жизнеспособность пыльцы (24,1%) зафиксирована на 10% растворе сахарозы, практически в равном количестве представлены аномалии: 6,5% - разветвления, 6,9% -формирование пыльцевой трубки с вентральной и дорзальной сторон.

На 15% растворе сахарозы показатели жизнеспособной пыльцы Р. radiata составили всего 55%, в то время как данная концентрация является оптимальной для проращивания пыльцы Р. nigra subsp. pallasiana (Lamb.) Holmboe и ряда других сосен (Некрасова, 1983; Коба, 2005). Отмечено увеличение количества пыльцевых зерен с 2 трубками до 33,6%, с разветвлением - наоборот, уменьшилось до 10,7%. В условиях 20 и 25% раствора сахарозы наблюдалось набухание пыльцы и формирование коротких пыльцевых трубок, которые быстро лизировали.

Подводя итог, можно сделать вывод, что с увеличением концентрации сахарозы до 10% наблюдалось значительное снижение жизнеспособности пыльцы, а также повышается количество аномалий прорастания пыльцевых трубок.

Размеры пыльцевых трубок также варьировали в связи с изменением концентрации раствора сахарозы. На 6 день опыта самые длинные пыльцевые трубки 167,6±4,б мкм формировались на 5% и на 15% растворе - 159,1±3,4 мкм. Наиболее короткие на 10% и 2% -127,2=1=3,8 мкм и 128,5±4,0 мкм, соответственно. Средний показатель длины отмечен в опыте с дистиллированной водой — 136,8=1=3,1 мкм. Длина пыльцевых трубок значительно варьирует (C.V. от 21,3 до 30,9%) в зависимости от концентрации раствора сахарозы.

По итогам проведенных наблюдений, 2% концентрация сахарозы является наиболее оптимальной для успешного проращивания пыльцы Р. radiata, однако на 5% формируются благоприятные условия для более интенсивного роста пыльцевых трубок.

Заключение. Пыление Р. radiata в условиях интродукции на Южном берегу Крыма начинается раньше других интродуцированных и аборигенных видов сосны - в первой половине апреля. Сроки полинации практически не изменяются в зависимости от перепадов суммы положительных температур выше 5°С.

Пыльцевые зерна исследуемого вида характеризуются более крупными размерами по сравнению с данными, которые приводятся для аборигенного вида - Р. nigra subsp. pallasiana. Исследуемые параметры характеризуются незначительной изменчивостью, за исключением длины и высоты воздушных мешков.

Анализ качества пыльцы показал, что достаточно высокий процент (89,8%) пыльцевых зерен нормально развиты, аномалии представлены в наибольшей степени изменениями тела пыльцевого зерна, что вероятно связано с отрицательным воздействием неблагоприятных климатических факторов в период формирования микроспор.

Сравнительно высокие показатели жизнеспособности пыльцы сосны лучистой - 75,4%, отмечены при проращивании на 2% растворе сахарозы, наиболее длинные пыльцевые трубки формировались на 5%. Оптимальная концентрация водного раствора сахарозы для проращивания пыльцы составила 2-5%, что существенно ниже от оптимальной концентрации для Р. pallasiana (15%). Длина пыльцевых трубок Р. radiata характеризуется значительной вариацией.

Сахно Т.М. Морфология и особенности реализации жизненных функций пыльцы Pinus radiata D. Don в условиях интродукции на южном берегу Крыма / Т.М. Сахно // Вести. ТвГУ. Сер.: Биология и экология. 2017. № 4. С. 124-133.