Особенности семенного размножения черники (Vaccinium myrtillus L.) и голубики (V. uliginosum L.) в Пермском крае

Черника обыкновенная и голубика топяная являются типичными представителями рода Вакциниум ( Vaccinium L.), широко распространенными в Пермском крае [Овеснов, 1997]. У данных видов затруднено семенное размножение; их популяции состоят преимущественно из парциальных образований (кустов и побегов), соединенных корневищами [Серебряков, 1962; Мазуренко, 1982; Шутов, Смирнов, 1991].

Комбинация семенного и вегетативного размножения определяет индивидуальный характер адаптационных способностей каждой популяции. Высокая семенная продуктивность не является гарантией успешного семенного размножения представителей рода Vaccinium из-за непостоянной и в целом невысокой всхожести семян [Лузянина, 2001; Nuortila, 2007; Кутлунина, Зимницкая, Жеребцова, 2008].

У всех представителей рода Vaccinium естественные уровни перекрестного опыления очень высоки, а количество и качество пыльцы не являются лимитирующими факторами, вызывающими снижение реальной семенной продуктивности [Kloet, Lyrene, 1987]. Отмечено 16 видов насекомых, опыляющих чернику, в том числе Andrena lapponica Zitt, Vecpula norvegica (Fab.), Vespula

sylvestris (Scop.), Bombus lapponicus (Fab.), Bombus lucorum (L.), Bombus hortorum (L.) [Ritchie, 1956]. Некоторые виды рода Vaccinium L. проявляют высокую способность к самоопылению, однако семенная продуктивность в этом случае была низкой. Механизмов, препятствующих самоопылению, у черники и брусники не обнаружено [Ritchie, 1956; Nuortila, 2007].

Вегетативное размножение и образование клонов очень распространены для многих видов рода Vaccinium , поэтому даже механизм перекрестного опыления не исключает высокое генетическое сходство обоих родителей. Уровень имбридинга в популяциях брусники, черники, голубики и клюквы может быть очень высок. Исследования эмбриолетальности V. uliginosum L. показали наличие большого количества неразвившихся семяпочек (до 92%) у представителей этого вида [Лузянина, 2001]. Процент развития семян при ксеногамии у V. uliginosum не превышал 45%, у V. myrtillus L. и V. vitis-idaea L. – 17%, что характерно для многих самостерильных растений. Тем не менее этого достаточно для развития полноценных плодов. Для черники и голубики характерна высокая эмбриолетальность (в среднем 55–92%), которая является суммарным результатом аномалий, мегаспорогенеза, опыления, оплодотворения, эмбриогенеза и эн-доспермогенеза. У многих видов данного рода затруднено прорастание семян, что может быть обусловлено различными причинами [Серебряков, 1962; Шутов, Смирнов, 1991; David, Davi, Sean, 2000]. Кроме того, вегетативное размножение ведет к накоплению неблагоприятных мутаций, в том числе тех, которые приводят к стерильности растений, исключая дальнейшее семенное размножение [Кутлу-нина, Зимницкая, Жеребцова, 2008].

Материал и методы исследования

Материал

Было изучено шесть популяций Vaccinium myrtillus L. и V. uliginosum L. на территории Юсь-винского, Краснокамского и Пермского р-нов Пермского края. В Пермском р-не основной древесной породой в месте исследования являлась Pinus sylvestris L., в травяно-кустарничковом ярусе преобладала черника. В Краснокамском р-не был выбран участок заболоченного леса с преобладанием P. sylvestris L. и Betula alba L. В Юсьвин-ском р-не также был выбран участок заболоченного леса с преобладанием Picea fennica (Regel) Kom. и B. alba L. И в Юсьвинском, и в Краснокамском р-нах в травяно-кустарничковом ярусе преобладали черника и голубика. Для различения популяций использованы обозначения: V. myrtillus 1 – популяция черники в Пермском р-не, территория ООПТ «Сосновый бор», V. myrtillus 2 – попу- ляция черники в Пермском р-не, территория ООПТ «Черняевский лес», V. myrtillus 3 – популяция черники в Краснокамском р-не, V. myrtillus 4 – популяция черники в Юсьвинском р-не, V. uligino-sum 5 – популяция голубики в Краснокамском рне, V. uliginosum 6 – популяция голубики в Юсь-винском р-не.

Методы исследования

В каждой популяции закладывались пробные площадки размером 1 м2 регулярным способом в 10-кратной повторности.

Определение онтогенетических состояний парциальных кустов черники и голубики проводилось на основании комплекса качественных морфологических признаков [Полянская, Жукова, Шестакова, 2000].

По количественному составу возрастных групп и их соотношению устанавливали тип популяции. Для оценки возрастной структуры рассчитаны индексы возрастности ∆ [Уранов, 1975] и эффективности ω [Животовский, 2001].

Методика выделения и окрашивания семязачатков модифицирована применительно к специфике объекта. Окрашивание проводилось пропионовым кармином. Завязи нагревали в пропионовом кармине на водяной бане в течение 5–10 мин. Далее из завязей извлекали семязачатки, переносили на предметное стекло и накрывали предметным стеклом [Справочник ..., 2004]. Эта методика позволяет выделить целый семязачаток и определить этап его развития, но не позволяет выявить нарушения в визуально нормально развитых зародышевых мешках, делающих их стерильными.

Семена проращивались в лабораторных условиях. Перед проращиванием семена подвергли стратификации при температуре 4…5ºС в течение 6 месяцев [ГОСТ…, 1998]

Показатели семенной продуктивности определялись по общепринятой методике [Вайнагий, 1974].

Статистическая обработка данных проведена по общепринятой методике в MS EXCEL 2007 c использованием стандартных показателей [Зайцев, 1990].

Результаты и их обсуждение

При изучении популяций V. myrtillus и V. uligi-nosum было обнаружено 7 онтогенетических состояний парциальных кустов: ювенильное (j), взрослое вегетативное (v), молодое генеративное (g1), средневозрастное генеративное (g2), старое генеративное (g3), субсенильное (ss) и сенильное (s). Мы предположили, что семенная продуктивность может быть связана с онтогенетическим состоянием парциального куста, следовательно, показатели семенной продуктивности популяций, обладающих различными онтогенетическими спектрами, будут различны. В популяциях V. uligino- sum наблюдается наличие одновершинных возрастных спектров с максимумом на средневозрастном генеративном состоянии (рис. 1).

Наличие одной вершины возрастного спектра означает, что онтогенез парциальных кустов идет по нормальному пути с последовательным прохождением всех возрастных состояний. В большинстве популяций V. myrtillus также наблюдаются одновершинные онтогенетические спектры. В спектрах популяций черники вершины спектров приходятся на молодое генеративное состояние.

Рис. 1 . Онтогенетические спектры изученных популяций:

1–6 – номера популяций черники и голубики (описание в тексте)

Исключение составляет популяция с территории ООПТ «Сосновый бор», возрастной спектр которой имеет две вершины. При таком распределении более точную типизацию популяций дает классификация «дельта-омега», основанная на соотношении коэффициентов возрастности и эффективности ценопопуляций (табл. 1).

Таблица 1

Возрастная и экологическая характеристика изученных популяций V. myrtillus L. и

• V. uliginosum L.

  Показатель	Популяция
  	1	2	3	4	5	6
  Возрастность популяции, дельта (∆)	0.58	0.43	0.36	0.36	0.40	0.41
  Энергетическая эффективность популяции (ω)	0.61	0.61	0.71	0.66	0.75	0.73

Интерпретация коэффициентов согласно классификации «дельта-омега» позволяет отнести популяцию V. myrtillus 1 к стареющим. Популяции V. myrtillus 2 и V. myrtillus 4 относятся к переходным, но из-за достаточно большого количества генеративных особей V. myrtillus 2 популяция приближается к зрелым, а V. myrtillus 4 занимает положение, близкое к зреющим. Популяция V. myrtillus 3 характеризуется переходом от зреющей популяции к зрелой, а популяции V. uliginosum 5 и V. uliginosum 6 относятся к зрелым.

Семенная продуктивность, согласно трактовке И.В. Вайнагий, складывается из следующих показателей:

• 1.    Коэффициент плодоцветения (КП) – отношение количества образовавшихся плодов к общему количеству цветков на растении;

• 2.    Потенциальная семенная продуктивность (ПСП) – общее количество семяпочек в плоде;

• 3.    Реальная семенная продуктивность (РСП) – количество нормально развитых полноценных (выполненных) семян в плоде;

• 4.    Процент продуктивности (РСП/ПСП) – отношение реальной семенной продуктивности к потенциальной.

Наименее надежным признаком для описания семенной продуктивности представителей рода Vaccin-ium L. является коэффициент плодоцветения. Значительное количество плодов может быть утрачено на разных этапах созревания из-за механических причин, а также при поедании их животными или сборе ягод людьми. Часть завязей не развивается в плоды. Случайный характер колебаний не позволяет использовать эту характеристику при сравнении популяций между собой. Данные по всем популяциям показывают существенную потерю плодов до фазы созревания (табл. 2). Минимальный коэффициент плодоцве-тения (0.22) отмечен для популяции V. myrtillus 4, максимальный коэффициент плодоцветения выявлен для популяции V.myrtillus 3 (0.53). Для голубики характерны более высокие коэффициенты плодоцветения, чем для черники (0.65 и 0.61).

Таблица 2

Коэффициенты плодоцветения в изученных популяциях V. myrtillus L. и V. uliginosum L.

Популяция	Число цветков на 1 п. к.	Число плодов на 1 п.к.	Коэффициент плодоцветения
V. myrtillus 1	3.22 ± 0.36	1.15 ± 0.54	0.36
V. myrtillus 2	4.08 ± 0.53	1.44 ± 0.48	0.35
V. myrtillus 3	15.33±3.36	8.53±2.68	0.53
V. myrtillus 4	22.93±4.93	5.25±2.72	0.22
V. uliginosum 5	23.48±2.70	15.18±2.32	0.65
V. uliginosum 6	41.88±6.01	25.95±4.80	0.61

Почти все популяции достоверно отличаются по количеству цветков на 1 парциальный куст. Значения t (коэффициент Стъюдента) для популяций V. myrtillus 1 и V. myrtillus 2 – 1.34 (недостоверное значение). Для популяций V. myrtillus 3 и V. myrtillus 4 – 3.11. Для популяций V. uliginosum 5 и V. uligino-sum 6 – 5.63. Кроме того, следует отметить крайне низкие значения этого показателя для популяций черники из рекреационно-парковой зоны г. Перми, которые могут свидетельствовать о неблагоприятном воздействии антропогенной нагрузки на состояние этих популяций.

Потенциальная семенная продуктивность (ПСП) во всех изученных популяциях была высокой (табл. 3).

По количеству семяпочек на 1 завязь популяции V. myrtillus 1 и V. myrtillus 2 демонстрируют значи- тельное сходство. Различие популяций V. myrtillus 3 и V. myrtillus 4 между собой по данному признаку является недостоверным из-за крайне высокой внут-рипопуляционной изменчивости данного признака, о чем можно судить по коэффициенту вариации. Достоверного отличия в ПСП популяций V. uliginosum 5 и V. uliginosum 6 также не обнаружено.

Таблица 3

Потенциальная семенная продуктивность в изученных популяциях V. myrtillus L. и V. uliginosum L.

Популяция	Число семяпочек в 1 завязи	Коэффициент вариации (cv), %
V. myrtillus 1	84.72±15.38	17.03
V. myrtillus 2	84.52±13.53	24.02
V. myrtillus 3	51.95±8.28	49.93
V. myrtillus 4	41.95±9.50	70.90
V. uliginosum 5	50.00±5.06	31.69
V. uliginosum 6	56.88±6.01	33.09

Реальная семенная продуктивность (РСП) была значительно ниже ПСП во всех популяциях (табл. 4). Часть семяпочек не развивается в семена; причины этого могут быть различны: аномалии развития зародышевого мешка, отсутствие двойного оплодотворения, механические повреждения и пр.

Таблица 4

Семенная продуктивность в изученных популяциях V. myrtillus L. и V. uliginosum L.

Популяция	Реальная семенная продуктивность	Коэффициент вариации, %	Коэффициент продуктивности
V. myrtillus 1	44.00±1.90	20.75	0.52
V. myrtillus 2	36.67±2.87	37.50	0.43
V. myrtillus 3	29.4±6.35	67.62	0.52
V. myrtillus 4	22.25±5.49	77.24	0.40
V. uliginosum 5	34.00±3.22	29.67	0.70
V. uliginosum 6	41.85±4.30	32.15	0.73

Коэффициент продуктивности наиболее высок в популяциях голубики. Во всех изученных популяциях черники он достаточно стабилен. В целом снижение семенной продуктивности на разных этапах развития во всех популяциях идет стремительно (рис. 2).

Фенотипическая изменчивость всех изученных признаков складывается из двух компонент: средовой изменчивости и генотипической изменчивости или коэффициента наследуемости. Генотипическую изменчивость в природной популяции черники оценить сложно, поскольку для этого потребовалось бы точно определить границы каждого клона. В литературе отмечены случаи отмирания корневища, вследствие чего наблюдалась партикуляция клона, в этом случае точно идентифицировать его границы без молекулярно-генетического анализа невозможно. В пределах своей возрастной группы парциальные кусты морфо- логически сходны между собой, онтогенетическое со- стояние в пределах клона может быть любым.

Рис. 2 . Снижение потенциальной семенной продуктивности 1 парциального куста: 1–6 – номера популяций черники и голубики (описание в тексте)

Средовая изменчивость изученных признаков черники может зависеть от множества факторов, среди которых мы выделяем такие как суммарная среднесуточная температура в период вегетации, освещенность, присутствие и активность опылителей, онтогенетическое состояние парциального куста. Собранные нами данные позволяют проследить изменчивость признака в зависимости от онтогенетического состояния.

Был проведен однофакторный дисперсионный анализ выбранных признаков в зависимости от онтогенетического состояния для популяций V. myrtillus L. Нулевая гипотеза заключалась в том, что распределение значений признака является случайным. Анализ проводился при заданном уровне значимости p = 0.05.

Результат анализа подтвердил, что число цветков на 1 парциальный куст в общей выборке демонстрирует зависимость от онтогенетического состояния (F = 2.68) в пределах одной популяции, однако популяции могут достоверно различаться по этому признаку. Результаты изучения зависимости числа плодов на 1 парциальный куст от онтогенетического состояния были недостоверными и исключены из анализа. Число семяпочек на одну завязь не зависит от онтогенетического состояния особей (F = 1.07) в пределах одной популяции и достоверно различается между популяциями. Таким образом, потенциальная семенная продуктивность популяции не зависит от ее возрас-тности, но онтогенетическое состояние необходимо учитывать при определении общего потенциала семенного размножения популяции.

Потенциал семенного размножения не может быть раскрыт без определения всхожести полученных семян. Прорастание семян черники и голубики в природе затруднено, но в лабораторных условиях семена обычно прорастают хорошо [Baskin, Milberg, Andersson, 2000]. Данный признак в изученных популяциях оказался наиболее неоднородным (табл. 5).

Семена из популяций V. myrtillus 1, V. myrtillus 2, V. myrtillus 4 и V. uliginosum 6 были не всхожими. Хранение семян, подготовка их к проращиванию и проращивание проводились в идентичных условиях, таким образом, все отличия связаны исключительно с особенностями изученных популяций и могут свидетельствовать как о аномалиях развития, так и о неблагоприятном воздействии окружающей среды. Популяции V. myrtillus 1 и V. myrtillus 2 испытывали значительную антропогенную нагрузку и были генетически сходны между собой [Данилова, Фатыхова, 2018], но находились на расстоянии друг от друга. Популяции V. myrtillus 4 и V. uliginosum 6 произрастали на одной территории.

Таблица 5

Всхожесть семян в изученных популяциях V. myrtillus L. и V. uliginosum L.

Популяция	Коэффициент всхожести	Период массового прорастания
V. myrtillus 1	0.00	-
V. myrtillus 2	0.00	-
V. myrtillus 3	0.69	28–32 дни
V. myrtillus 4	0.00	-
V. uliginosum 5	0.22	3–5 дни
V. uliginosum 6	0.00	-

В тех популяциях, где семена проросли, всхожесть их может быть оценена как средняя ( V. myrtillus 3) и низкая ( V. uliginosum 5).

Выводы

Полученные нами данные показывают, что характер успешности семенного размножения в различных популяций V. myrtillus и V. uliginosum индивидуален. При достаточно высокой потенциальной семенной продуктивности реальная семенная продуктивность значительно ниже. Количество цветков и плодов существенно снижается при интенсивной антропогенной нагрузке. Распространены нарушения всхожести семян, вплоть до их полной нежизнеспособности. Учитывая многократно описанные в литературе проблемы с естественным прорастанием семян представителей рода Vaccinium в природе, можно сделать вывод о том, что семенное размножение часто оказывается неэффективным и доминантное положение в ассоциациях они занимают исключительно благодаря успешному вегетативному размножению.

В популяциях V. myrtillus 1, V. myrtillus 2, V. myrtillus 4 и V. uliginosum 6 семенное размножение отсутствует, несмотря на достаточную семенную продуктивность. Популяция V. uliginosum 5 характеризуется самым низким показателем потенциальной семенной продуктивности (50.00) и низкой всхожестью семян (0.22), ее потенциал семенного размножения тоже невысок. Наиболее успешна популяция V. myrtillus 3.