Опыт интродукционных и кариологических исследований Iris sibirica L. - редкого вида флоры Республики Башкортостан

На современном этапе общественного развития в условиях возрастающего потребления природных ресурсов проблема сохранения богатства и разнообразия растительного мира становится одной из наиболее острых и актуальных. Охрана исчезающих растений посредством культивирования с целью их изучения и сохранения является центральным направлением деятельности ботанических садов, которые во все большей степени становятся центрами по разведению редких видов [2]. Введение в культуру редких и исчезающих видов обеспечивает их сохранение, размножение, изучение биологии, экологии, а также накопление материала и семян для обмена с другими ботаническими организациями. Коллекции редких и исчезающих видов являются ценным научным материалом для систематиков, флористов, геоботаников, биохимиков и для пропаганды научных знаний по охране растений.

I. sibirica , согласно Красным книгам СССР, РСФСР, республиканским, краевым и областным, имеет статус объектов охраны «3 – редкие» (встречающиеся в немногих местах) [1]. Произрастает на пойменных, болотистых и лесных лугах, по березовым колкам, лесным опушкам от таежной до теплоумеренной зоны Европы, Кавказа, Западной и Средней Сибири. Включен в Красную книгу Республики Башкортостан [9]. Ценное декоративное и лекарственное растение. Отвар листьев используют при болезнях сердца, как ранозаживляющее, кровоостанавливающее. Из цветков получают зеленую краску [14].

Целью наших исследований было изучение морфобиологических особенностей Iris sibirica при культивировании в Башкирском Предуралье, а также изучение некоторых цитологических и кариологических особенностей этого вида.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В Уфимский ботанический сад I. sibirica впервые был завезен в 1962 г. из Бурзянского района

Республики Башкортостан (пойма реки Узяк). Интродукционные, цитологические и кариологические исследования проводились на базе Ботанического cа-

да-института Уфимского НЦ РАН (лесостепная зона Башкирского Предуралья) в 2005-2010 годах.

Территория сада расположена в парковой части города Уфы на водоразделе рек Белой и Уфы. В климатическом отношении этот район характеризуется большой амплитудой колебаний температуры в его годовом ходе, неустойчивостью и недостатком атмосферных осадков, быстрым переходом от суровой зимы к жаркому лету, поздними весенними и осенними заморозками. Почва участка серая лесная.

Изучение декоративных и хозяйственно-полезных признаков проводили в условиях открытого грунта по методике государственного сортоиспытания декоративных культур [12]. По методике фенологических наблюдений в ботанических садах [13] изучали сезонный ритм развития растений. Семенную продуктивность подсчитывали по методике И.В. Вайнагия [6]. Для оценки успешности интродукции ириса была использована рабочая шкала баллов, разработанная в Донецком ботаническом саду [3]. Цитологические исследования пыльцы проводили путем обработки ее по ацетолизной методике [23]. Для цитологического изучения устьиц использовали метод световой микроскопии на эпидермальных срывах свежих листьев [17]. Кариологические исследования проводили на меристематической ткани корешков проростков семян с использованием методики приготовления временных давленых препаратов [16]. Кариологический анализ делали по методическим разработкам В.Д. Туркова с соавт. [21]. Расчет основных статистических характеристик выполнен по методике Г.Н. Зайцева [8]. В качестве меры изменчивости использовали коэффициент вариации (C v , %), с помощью которого определяли степень варьирования изучаемых признаков по шкале уровней изменчивости, разработанной С.А. Мамаевым [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам наблюдений за сезонным ритмом развития I. sibirica выявлено, что его весеннее отрастание начинается в третьей декаде апреля. Через 27-39 дней наступает фаза цветения (23.05-08.06). Продолжительность цветения популяции – 12-16 дней. Цветонос цилиндрический, внутри полый, высотой более 60 см, с 2-4 цветками, которые раскрываются сверху вниз. Одновременно цветут 1-2 цветка. Коэффициент орнаментальности составляет 3/1010/22. Наружные доли околоцветника имеют бледно- или темно-фиолетовую окраску с прожилками желтого и белого оттенков, длина их варьирует в пределах от 5,3 до 6,2 см, ширина – от 2,6 до 3,4 см. Внутренние доли околоцветника имеют темно-фиолетовую окраску, длина варьирует в пределах от 4,3 до 5,1 см, ширина – от 2,1 до 2,2 см.

Листья линейные, длинно заостренные, от 39 до 48 см длиной. Декоративность вида оценена 88 баллами.

Цветки раскрываются рано утром, но в жаркую и сухую погоду распускание бутонов наблюдается и днем. Пыльцевые мешки раскрываются одновременно с распусканием цветка или после его распускания. Высыпание пыльцы из пыльцевого мешка происходит быстро и к вечеру первого же дня они бывают пустыми. Средняя длина тычиночной нити 1,13±0,01 см, пыльника 1,36±0,01 см. Рыльца созревают на следующий день. Средняя длина лопасти пестика 3,45±0,13 см.

Пыльца однородная, жизнеспособных пыльцевых зерен в среднем 90,7%. Пыльцевые зерна одиночные, 1-бороздные, в очертании с полюса – округлоугловатые, с экватора – эллиптические. Длина полярной оси составляет 37,9-50,0 мкм, большого экваториального диаметра 58,6-81,0 мкм, малого экваториального диаметра 50,0-68,9 мкм. Борозда длиной от 27,6 до 32,8 мкм, широкая. Толщина экзины от 1,64 до 1,69 мкм. Скульптура экзины сетчатая. Изменчивость палиноморфологических показателей характеризуется очень низким и низким значением коэффициента вариации. По классификации групп размеров с учетом длины большой оси [23] пыльцевые зерна крупные.

В средневозрастном генеративном состоянии на одном кусте в августе созревает до 35 коробочек. Плод продолговато-овальный, внезапно к концам суженный, с очень плотными стенками, бурого цвета. Длина плода варьирует от 3,0 до 3,9 см, ширина – от 0,8 до 1,2 см. Семя округлое или полукруглое, плоскосжатое, коричневое, матовое. Кожура тонкая, морщинистая, по краям ломкая. Семенной рубчик малозаметный. Длина семени варьирует от 0,5 до 0,6 см, ширина – от 0,4 до 0,5 см. Потенциальная семенная продуктивность плода и куста достигает 122,25±6,56 и 4365,85±180,75 семяпочек соответственно; фактическая семенная продуктивность плода и куста -74,10±5,64 и 2314,40±78,52 семян соответственно. Процент семинификации плода составляет 59,9, процент плодообразования куста – 95,4.

Ирис может длительно (10-15 лет) произрастать на одном месте без потери декоративности, дает обильный самосев. Характеризуется высокой устойчивостью к условиям культуры (успешность интродукции 7 баллов), зимостоек, регулярно и обильно цветет, плодоносит, активно расселяется массовым самосевом.

По данным Э.А. Буровой [5], I. sibirica проявляет способность к самоопылению, несмотря на хорошо выраженные качества энтомофила. Поэтому даже в неблагоприятных для опыления условиях лета образуются многочисленные плоды. В наших опытах 13,8% изолированных бутонов завязали семена, что подтверждает наличие автогамии у изучаемого вида в условиях Башкирского Предуралья.

Одной из наиболее часто применяемых процедур в количественной анатомии растений является определение плотности и размеров устьиц в эпидермисе листа. Количественные параметры устьиц тесно связаны с эффективностью газообмена листа, от которого зависит интенсивность многих физиологических процессов. Число и размеры устьиц, как правило, видоспецифичны [4]. В результате цитологических исследований нами выявлено, что I. sibirica имеет большие устьица. Их длина составляет в среднем 31,11±0,32 мкм, ширина - 26,65±0,35 мкм. У вида наблюдается тенденция к увеличению длины устьиц от апикальной части листовой пластинки к базальной. Изменчивость длины и ширины устьиц характеризуется очень низким значением коэффициента вариации. На 1 кв. мм листовой поверхности приходится в среднем 95 устьиц. I. sibirica по отношению к влаге является гигрофитом, а гигрофитам присущи большие устьица и незначительное количество их на единицу поверхности, что подтверждается результатами наших исследований.

Для определения видовой принадлежности растений, наряду с основными анатомоморфометрическими критериями, используют и другие, не менее важные, например, кариологический критерий. Характеристика кариотипа является составной частью характеристики вида и играет важную роль в решении вопросов систематики, филогении и генезиса флоры [18, 20]. Хромосомный набор (кариотип) – это генетический, а, точнее, цитогенетический паспорт вида. Он включает определенное, постоянное в ряду поколений число хромосом и индивидуализирован по их размерам и форме. Наряду с присущими виду особенностями набора хромосом, возможно наличие конкретных структурных вариантов изменчивости этого набора, которые обнаруживаются у отдельных особей [19]. Особенно высока вероятность такой изменчивости в неспецифических для вида условиях, например, при его интродукции.

Кариологические исследования I. sibirica немногочисленны, в литературе приводятся лишь сведения о числе хромосом данного вида [11, 15, 22, 24]. Нами определено не только число хромосом, но и впервые дана характеристика их морфометрических параметров, установлены морфологические типы хромосом, составлен систематизированный хромосомный набор и построена идиограмма кариотипа, а также охарактеризована изменчивость исследованных кариотипических показателей.

В результате исследований установлено, что у I. sibirica , интродуцированного в Ботаническом саду-институте Уфимского НЦ РАН, число хромосом в соматической ткани 2n=28 (рис. 1), что подтверждает данные предыдущих авторов [11, 15, 22, 24].

Анализируя числа хромосом у видов рода Iris [22] и принимая во внимание, что у большинства однодольных растений основное число хромосом х=7, можно предположить, что исследуемый вид имеет формулу кариотипа 2n=4x=28. Данное предположение вполне согласуется с составленным нами систематизированным хромосомным набором, на котором визуально видна похожесть многих хромосомных пар.

Изучена морфология метафазных хромосом I. sibi-rica. В таблице представлены среднестатистиче-

Рис. 1 . Микрофотография хромосом метафазной пластинки Iris sibirica. Прим.: масштабная линия соответствует 10 мкм

пар субметацентрических (предположительно IV-V, VII, IX, X, XII, XIII пары) и 1 пары субакроцентрических (предположительно VI пара) хромосом. Изучена изменчивость кариологических показателей. Отмечено, что по абсолютной и относительной длине хромосом наблюдаются низкий коэффициент вариации, по значению центромерного индекса низкий и средний коэффициенты вариации. Средняя суммарная длина диплоидного набора хромосом составляет 72,05±3,55 мкм, коэффициент вариации данного показателя средний. Идиограмма кариотипа, составленная на основе среднестатистических параметров хромосом, представлена на рис. 2.

ские параметры (абсолютная длина, относительная длина и центромерный индекс), полученные в результате исследования 14 метафазных пластинок. Выявлено, что размеры хромосом находятся в пределах от 1,05±0,04 мкм до 3,98±0,13 мкм. Хромосомный набор, согласно классификации морфологических типов хромосом [25], состоит из 6 пар метацентрических (предположительно I-III, VIII, XI, XIV пары), 7

Рис. 2 . Идиограмма кариотипа Iris sibirica . Прим.: масштабная линия соответствует 2 мкм

Таблица. Морфометрические параметры хромосом Iris sibirica

№ пары хромосом	Абсолютная длина (Lа), мкм		Относительная длина (Lr)		Центромерный индекс (Ic),%
	M±m	C v(x) ,%	M±m	C v(x) ,%	M±m	C v(x) ,%
1	3,98±0,13	9,77	5,52±0,19	10,55	49,17±2,04	12,45
2	3,39±0,13	11,12	4,71±0,17	11,12	49,03±2,81	17,19
3	3,04±0,12	11,35	4,22±0,14	9,65	49,28±1,85	11,26
4	2,97±0,10	10,15	4,12±0,12	9,04	32,22±1,44	13,41
5	2,97±0,12	12,28	4,12±0,12	8,59	29,63±1,57	15,90
6	2,71±0,11	12,71	3,76±0,14	10,78	19,51±1,15	17,68
7	2,69±0,11	12,39	3,73±0,15	12,04	36,89±2,16	17,57
8	2,49±0,08	10,15	3,46±0,11	9,62	43,36±2,07	14,32
9	2,31±0,09	11,55	3,19±0,09	8,11	35,89±2,06	17,22
10	2,26±0,09	12,13	3,14±0,08	7,68	36,10±2,11	17,53
11	2,17±0,07	9,86	3,01±0,08	8,06	43,65±1,92	13,20
12	2,09±0,06	9,25	2,90±0,09	9,62	31,58±1,34	12,73
13	1,95±0,07	10,86	2,71±0,09	10,14	33,91±1,95	17,25
14	1,05±0,04	11,95	1,46±0,04	8,14	47,37±2,06	13,05

Таким образом, в результате проведенных исследований выявлено, что Iris sibirica является перспективным видом для размножения и выращивания на территории республики Башкортостан. Особи исследуемого вида в условиях интродукции проходят полный цикл сезонного развития. Характеризуются высокой устойчивостью к условиям культуры, регулярно и обильно цветут, плодоносят, активно расселяются массовым самосевом, не требуют сложных агротехнических приемов для размножения и выращивания. Достаточно высокая семенная продуктивность также является показателем хорошей адаптации вида к условиям произрастания.

Проведенные кариологические исследования также являются подтверждением успешности интродукции изучаемого вида в условиях Башкирского Преду-ралья. В частности, мы наблюдаем полное совпадение числа хромосом в соматической ткани I. sibirica в условиях интродукции и в природе. Выявленная невысокая изменчивость кариотипических показателей у I. sibirica также свидетельствует о стабильности хромо- сомного набора данного вида. Кроме того, детальное изучение морфологии метафазных хромосом, определение их морфологических типов, построение систематизированного хромосомного набора и идиограммы кариотипа позволяют установить видоспецифичность кариологических показателей I. sibirica в сравнении с другими ранее исследованными видами и являются важным аргументом при обсуждении сложных таксономических ситуаций в роде Iris.

Проведенные полиноморфологические исследования I. sibirica в сравнении с другими представителями рода Iris подтвердили уникальность и своеобразие скульптуры пыльцевых зерен данного вида, что также может быть использовано в качестве весомого довода при решении спорных вопросов по идентификации и классификации.