Поливариантность морфогенеза побегов в клонах Salix triandra (Salicaceae) на фоне периодичности ливневых осадков

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

Keyword: almond willow, Salix triandra , saplings from cuttings, rhizogenesis, annual shoots, daily growth, seasonal dynamics, polyvariance of ontogenesis, discreteness of ontogenesis.

Ива трехтычинковая ( Salix triandra L., 1753) — широко известный представитель рода Salix L., 1753 (Salicaceae Mirb., 1815, Malpighiales Juss. ex Bercht. & J. Presl, 1820) [1–2]. Традиционно относится к секции Amygdalinae Koch, 1837 ( Triandrae Dumort., 1825) подрода Salix Nas., 1936 ( Amerina Dumort., 1862) (s. l.) [1]. Однако по результатам молекулярногенетических исследований таксон Triandrae заслуживает статуса самостоятельного подрода [3–4]. С цитогенетической точки зрения, S. triandra — диплоид (2 n = 2 x = 38) [5]. Не исключено, что в природных популяциях этого вида существует анеуплоидия [6]. Вследствие небольшого генома S. triandra используется как модельный объект для получения новой ценной информации [7].

С практической точки зрения, S. triandra представляет собой ценный растительный ресурс. Для создания энергетических плантаций на пахотных почвах малопригодна, поскольку ее продуктивность в этих условиях существенно ниже, чем у высокопродуктивных видов и гибридов секции Vimen [8]. Однако вследствие своей высокой неприхотливости рекомендована для выращивания на малоплодородных почвах [9]. Используется в защитном лесоразведении для укрепления берегов водоемов [9], а также для фиторемедиационной очистки почв, загрязненных углеводородами [10]. Благодаря продолжительному обильному цветению, является ценным медоносом [11]. Перспективный источник лекарственного сырья [12]. Главное достоинство S. triandra в том, что она дает высококачественный зеленый и белый прут для различных видов плетения [9, 13].

Культуры S. triandra, как правило, создают путем посадки одревесневших неукорененных черенков на постоянное место [9]. Правилам подготовки посадочных мест, заготовки и посадки черенков, а также дальнейшему уходу за черенковыми саженцами посвящен ряд современных исследований [14–15]. Эффективность ризогенеза — образования придаточных корней на черенках — в значительной мере определяет приживаемость черенков. Уже на второй год после посадки развивается мощная, глубоко идущая корневая система, которая обеспечивает засухоустойчивость растений [16]. Хорошо развитая корневая система позволяет максимально использовать водные ресурсы в виде атмосферных осадков, почвенной влаги и грунтовых вод [17]. Ризогенез на высаженных черенках происходит как на всем протяжении черенков (из корневых зачатков под чечевичками, преимущественно, вблизи узлов), так и на срезах [9]. Благодаря этому в ряде случаев формируются диморфные корневые системы, которые позволяют использовать как влагу весенне-летних дождей, так и грунтовые воды с относительно постоянным уровнем [18]. Наблюдаемые изменения климата приводят к непредсказуемости осадков в вегетационный период [19]. При избытке влаги снижается содержание кислорода в почве, и рост корней угнетается [20].

Одно из важнейших требований к культурам ивы — их высокая и стабильная продуктивность, которая зависит от множества разнообразных факторов [21]. Окружающая среда имеет тенденцию оказывать на количественные признаки высокопродуктивных видов Salix более сильное влияние, чем генотип [22]. В частности, факторы окружающей среды контролируют примерно 60% изменчивости урожая биомассы; примерно 10% приходится на генетические факторы; остальные 30% изменчивости обусловлены влиянием неконтролируемых факторов [23]. Для выявления влияния неконтролируемых факторов на рост и развитие ив необходимо вывить соотношение межклоновой и внутриклоновой изменчивости. Изменчивости морфофизиологических и хозяйственно-ценных признаков в клонах ив посвящен ряд исследований [21, 24–25].

Изменчивость морфогенеза побегов есть проявление поливариантности онтогенеза. Онтогенез характеризуется целостностью и в то же время дискретностью, обусловленной сменами этапов развития [26–27]. В традиционном представлении [28], поливариантность онтогенеза обусловлена разнообразием адаптивных реакций в генетически гетерогенных популяциях. Поливариантность онтогенеза определяется не только генетическими, но эпигенетическими механизмами, которые исследованы недостаточно [29]. Сведения о поливариантности морфогенеза нарастающих побегов в культивируемых клонах S. triandra в доступной нам литературе не обнаружены.

Цель данного исследования: выявить и проанализировать закономерности сезонной динамики суточного прироста побегов в клонах S. triandra на фоне избыточного атмосферного увлажнения в виде периодических ливневых осадков.

Материал и методы

Исследования проводились в салицетуме Брянского государственного университета (N53.273096, E34.353077). Тип лесорастительных условий (ТЛУ): D3. Тип растительности: опушка дубравы лещино-снытевой ( Quercetum coryloso-aegopodiosum ). Тип почв: серые лесные на лессовидном суглинке с меловыми подстилающими породами.

Объект исследований: модельная инбредно-клоновая популяция S. triandra , созданная весной 2020 г. Для создания модельной популяции использовалась разработанная нами схема популяционно-клоновой селекции [30].

В качестве исходного генетического материала использовались семена, собранные в 2000 г. с женской особи S. triandra в естественном ивняке зеленой зоны г. Брянска

(N53.201025, E34.507728; Alno-Salicetum cinereae (Kobenza 1950) Pass. 1956). Из этих семян была выращена семья F 0 . В 2010 г. в результате свободного внутрисемейного опыления одна из женских особей F 0 дала семена, из которых была выращена вторая семенная генерация F 1 . В 2017 г. в условиях беспыльцевого режима одна из женских особей F 1 дала семена, из которых была выращена третья семенная генерация F 2 . Подробно история создания данной семьи описана нами ранее [31].

Для создания модельной популяции в качестве родоначальников экспериментальных клонов E использовались сеянцы рассматриваемой семьи. За год до черенкования (весной 2019 г.) маточные особи были коротко обрезаны для получения достаточного количества порослевых побегов. Из нижних и средних частей этих побегов непосредственно перед посадкой нарезались черенки длиной 25 … 30 см при диаметре 0,8 … 1,0 см. Свежесрезанные черенки без какой-либо обработки были высажены в подготовленные с осени посадочные ямы размером 40×40×40 см. Схема размещения тригональная, с расстоянием между посадочными местами 1 м. Дата посадки 10.04.2020. Посадка вертикальная с заглублением черенков до одной почки на уровне почвы. В дальнейшем все черенковые саженцы формировались в один побег (по принципу «один саженец — один побег»). Количество заложенных клонов — 7, повторность — 6-кратная, общее число черенковых саженцев — 42.

В качестве основного контроля K использовался высокопродуктивный клон S. triandra , выделенный нами из естественного ивняка (N53.256240, E34.383236; Salicetum triandro-viminalis (Tx. 1931) Lohm. 1952) зеленой зоны г. Брянска в 2009 г. Черенки контрольного клона K нарезались и высаживались так же, как черенки экспериментальных клонов E . Повторность — 3-кратная. В качестве дополнительного контроля S использовалось 4 четырехлетних сеянца (ортета) той же семьи, что и родоначальники клонов. Весной 2020 г. эти сеянцы были обрезаны на пень, кусты формировались в два побега.

Вегетационный период 2020 г. охарактеризовался избыточным неравномерным атмосферным увлажнением [32]. В апреле количество осадков составило 13 мм (31% от нормы), в мае 138 мм (242% от нормы), в июне 141 мм (177% от нормы), в июле 76 мм (92% от нормы), в августе 44 мм (64% от нормы). Избыточное увлажнение было обусловлено тремя ливневыми дождями: 29.05 … 02.06 (95 мм), 19.06 … 23.06 (94 мм), 14.07 … 15.07 (56 мм). Временны́ е интервалы между днями с максимальным количеством осадков составили 22 и 24 сут. В этих промежутках между ливнями выпадало всего 22 и 8 мм осадков.

В весенне-летний период четыре саженца экспериментальных клонов выкопали для контроля за формированием корневых систем. После завершения вегетационного периода 14 саженцев трех клонов выкопали для окончательного описания корневых систем.

Наблюдения за развитием побегов проводили с 09.05 по 29.08. Каждые 4 сут замеряли длину побегов: L , см (выполнено 1217 измерений для 29 дней наблюдений). Все даты, в которые проводились наблюдения, пронумеровали в соответствии с днями вегетационного периода (1, 5, 9 … t i ). За дату начала вегетации ( t = 1) выбрали 01.05 (средняя многолетняя дата перехода среднесуточных температур через +10 °С). В итоге получили эмпирические ряды траекторий роста побегов — L(t) , см.

Для анализа сезонной динамики суточного прироста побегов использовали алгоритм, подробно описанный ранее [31]. На основании рядов L(t) для каждой даты вычислили ряды сезонной динамики суточного прироста побегов ΔL(t), см/сут, выровненные методом скользящего интервала продолжительностью 8 сут с шагом 4 сут (вычислено 1117 значений ΔL для 25 расчетных дней). На основании рядов ΔL(t) построили соответствующие графики, отражающие зависимость суточного прироста побегов ΔL, см/сут от порядкового дня t вегетационного периода. Группировку побегов производили на основании сравнительного анализа конфигурации графиков ΔL(t). Для каждой группы рассчитали и визуализировали средние (average) ряды динамики ΔL(t) av.

Результаты

Во всех исследованных клонах S. triandra укореняемость черенков составила 100%. На материнских черенках выкопанных саженцев образовалось два типа корней: тонкие и скелетные. Многочисленные тонкие корни (окончательной толщиной порядка 1 … 2 мм и длиной порядка 5 … 10 см) сформировались в первой половине мая. Эти горизонтально ориентированные корни достаточно равномерно распределены по всей подземной части черенков, выраженной приуроченности к узлам не выявлено. Немногочисленные скелетные корни (окончательной толщиной порядка 5 мм и длиной свыше 15 см) начали формироваться в первой декаде июня. Эти корни, направленные вниз и вбок, образовались на нижних срезах черенков (в отдельных случаях единичные скелетные корни образовались в средней части черенка). На 14 саженцах трех клонов, выкопанных после завершения вегетационного периода, различия в интенсивности развитости корневых систем не обнаружены.

Для исследования морфогенеза в экспериментальных клонах было использовано 38 саженцев. На четырех из них рост побегов завершился к 20.07, на остальных завершение роста побегов происходило в интервале с 24.07 по 25.08. По длине вызревших побегов выделено две группы саженцев: с побегами длиной 133 … 163 см и с побегами длиной 175 … 215 см. На трех саженцах длина побегов составила 125 см, а на одном — 288 см; эти саженцы были исключены из дальнейшего анализа. Между продолжительностью роста побегов и их длиной установлена достаточно высокая положительная корреляция: r = 0,774 ( P < 0,01). На однолетних черенковых саженцах контрольного клона K длина побегов составила 198 … 273 см, а на четырехлетних контрольных сеянцах — 278 … 330 см.

Сравнительный анализ рядов сезонной динамики суточного прироста побегов — Δ L(t) — в экспериментальных клонах показал, что саженцы, продолжившие рост после 20.07, образуют две группы: с побегами, закончившими рост до 01.08 (группа E 1), и с побегами, продолжившими свой рост после 01.08 (группа E 2). Саженцы двух клонов вошли только в первую группу, саженцы еще двух клонов — только во вторую группу, а саженцы трех клонов распределились по двум группам. Для каждой группы — Е 1 и Е 2 — были вычислены средние траектории динамики суточного прироста — Δ L(t) av . Средние траектории были вычислены также для саженцев контрольного клона K и контрольной группы сеянцев S . Визуализированные эмпирические и средние вычисленные ряды сезонной динамики суточного прироста всех побегов показаны на Рисунке 1.

Все ряды Δ L(t) сходны между собой по конфигурации, различаясь, в основном, лишь по размаху изменчивости Δ L . Рекордные суточные приросты — 6,1 … 6,8 см/сут — выявлены на побегах контрольной группы четырехлетних сеянцев. На побегах однолетних черенковых саженцев максимальный суточный прирост составил 2,4 … 4,3 см/сут (на отдельных побегах до 4,4 … 4,9 см/сут).

7,0 1

0,0

6,0 1

5,0 d

4,0 1

3,0

2,0 1

1,0 1

E2

10   20   30   40   50   60   70   80   90   100  110  120

Рисунок 1. Сезонная динамика суточного прироста всех исследованных побегов. По оси абсцисс — порядковые дни вегетационного периода, по оси ординат — суточный прирост побегов, см/сут. Группы побегов обозначены разными цветами: E 1 — синий, E 2 — красный, K — черный, S — зеленый. Средние ряды показаны увеличенными маркерами и подписаны. Вертикальными линиями показаны дни с максимумами ливневых осадков.

Визуализированные эмпирические и средние вычисленные ряды сезонной динамики суточного прироста побегов в экспериментальных клонах показаны на Рисунке 2.

Рисунок 2. Сезонная динамика суточного прироста побегов в экспериментальных клонах. По оси абсцисс — порядковые дни вегетационного периода, по оси ординат — суточный прирост побегов, см/сут. Обозначения те же, что на Рисунке 1.

В начале вегетационного периода суточный прирост — ΔL, см/сут — всех побегов возрастал с некоторой задержкой прироста в конце мая – начале июня (что соответствует первому ливню) [32]. Максимальный прирост — 4,4 … 4,9 см/сут — зафиксирован 10.06. В этот момент средний прирост был несколько выше в группе E2. Далее ΔL неравномерно снижался. В период с 14.06 по 30.06 динамика ΔL дестабилизировалась при отсутствии межгрупповых различий; однозначная связь динамики ΔL с вторым ливнем не установлена. В конце июня – начале июля ΔL несколько увеличился. В первой половине июля ΔL снизился, причем ΔL снижался быстрее в группе E1. После 16.07 (что совпадает с датой третьего ливня) ΔL увеличился, но в группе E1 сразу же стал снижаться вплоть до окончания роста побегов в конце июля. В группе E2 ΔL возрастал до конца июля и только затем стал снижаться до окончания роста побегов в конце августа.

Визуализированные средние ряды сезонной динамики суточного прироста побегов — Δ L(t) av – в двух группах экспериментальных клонов Е 1 и Е 2, контрольного клона K и контрольной группы сеянцев S показаны на Рисунке 3.

Рисунок 3. Средняя динамика суточного прироста побегов. По оси абсцисс — порядковые дни вегетационного периода, по оси ординат — суточный прирост побегов, см/сут. Обозначения те же, что на Рисунке 1 и Рисунке 2.

В целом сезонная динамика суточного прироста побегов характеризуется ярко выраженной цикличностью, которая проявляется в виде правильного чередования пиков и провалов Δ L . Все средние ряды Δ L(t) av синхронизированы между собой, различаясь лишь по размаху изменчивости Δ L . Наиболее отчетливо выражены главный пик (10.06) и главный провал (16.07). На побегах контрольной группы сеянцев S выявлено 4 пика Δ L (второй пик слабо выражен), на побегах контрольного клона K — 3 отчетливых пика Δ L , на побегах экспериментальной группы Е 2 также 3 пика Δ L (второй пик слабо выражен), на побегах экспериментальной группы Е 1 — 2 основных пика Δ L (второй пик слабо выражен) и очень слабый третий пик.

Временные интервалы между 1, 2 и 3 пиками ΔL составили 24 сут, что почти полностью совпадает с интервалами между ливнями (22 и 24 сут). Однозначная реакция суточного прироста на первый ливень не выявлена ни в одной из групп побегов. Возможное положительное («омолаживающее») действие третьего ливня выявлено для всех побегов. Такое же действие второго ливня выявлено только для побегов на черенковых саженцах контрольного клона K. На всех остальных побегах отчетливая реакция суточного прироста на второй ливень не выявлена.

Обсуждение и выводы

Родоначальники экспериментальных клонов S. triandra , как и сеянцы контрольной группы S , были получены путем регулярного инбридинга на протяжении трех семенных генераций, что позволило частично гомозиготизировать исходный генетический материал. Не исключено, что семена третьей генерации образовались путем нерегулярного гаметофитного апомиксиса в форме редуцированного партеногенеза. Восстановление диплоидности в этом случае возможно за счет пропуска второго мейотического деления или путем постзиготической дигаплоидизации. Такой механизм апомиксиса у диплоидов также позволяет гомозиготизировать популяцию [33–34]. Таким образом, в данном исследовании межклоновые различия обусловлены использованием выровненного генетического материала.

Исследованные однолетние черенковые саженцы сформировали диморфные корневые системы. Ранние тонкие (эфемерные) корни, распределенные по всей длине черенка, вероятно, образовались из уже имеющихся корневых зачатков. Очевидно, эти корни обеспечивают водоснабжение черенковых саженцев весной и в начале лета при достаточном увлажнении хорошо аэрируемых верхних слоев почвы. Поздние скелетные (толстые, грубые, глубокие) на нижних срезах черенков, вероятно, образовались через каллус de novo . Очевидно, эти корни обеспечивают водоснабжение черенковых саженцев в летние месяцы, поглощая влагу из глубоких слоев почвы. Они же служат основой для формирования многолетней корневой системы. Рост глубоких корней может ограничиваться возникновением субанаэробных условий — нехваткой кислорода при избыточном влагосодержании. Можно предположить, что описанный механизм формирования диморфных корневых систем обеспечивает устойчивость черенковых саженцев S. triandra к неравномерному увлажнению в течение первого года жизни.

Выявленная цикличность сезонной динамики суточного прироста побегов Δ L(t) , характеризуется высокой степенью синхронизации ростовых процессов (особенно синфазным усилением Δ L 10.06 и синфазным ослаблением Δ L 16.07, разделенными интервалом в 36 сут) на всех исследованных побегах. Вероятно, на все побеги действует некоторый мощный импульсный синхронизатор неизвестной природы.

Чередование пиков и провалов Δ L с периодичностью 24 сут позволяет предположить, что на ритмику развития побегов влияют внешние факторы в виде ливневых осадков с периодичностью 22 … 24 сут. Однако эта гипотеза подтверждается лишь частично. Можно допустить положительное («омолаживающее») действие третьего ливня (в середине июля), которое совпадает с увеличением суточного прироста всех исследованных побегов. «Ливневая» гипотеза не позволяет объяснить резкое снижение суточного прироста в промежутках между ливневыми дождями. Нельзя отрицать влияние ливневых осадков на динамику суточного прироста побегов. Однако, скорее всего, ливни оказывают модифицирующее действие на механизмы, регулирующие ростовые процессы.

Полный сезонный (точнее, субсезонный, или субаннуальный) цикл развития побегов в летние месяцы (июнь — первая половина августа) включает четыре многодневных (инфрадианных) цикла колебаний суточного прироста. В полной мере сезонный цикл реализован на побегах контрольной группы сеянцев S . На поздно завершивших рост побегах черенковых саженцев (контрольный клон K и группа E 2 экспериментальных клонов)

реализовано три инфрадианных цикла. На рано завершивших рост побегах черенковых саженцев (группа E 1 экспериментальных клонов) полностью реализовано лишь два инфрадианных цикла колебаний суточного прироста. Таким образом, установлена временна_́я дискретность морфогенеза побегов, обусловленная полной или частичной реализацией сезонного цикла развития побегов.

Для полной реализации сезонного цикла развития побегов необходим достаточный объем структурно-энергетических ресурсов саженцев — взаимодействующих развивающихся систем: водоснабжающих корневых и фотосинтезирующих побеговых. Выявленная временна_́я дискретность морфогенеза побегов может быть обусловлена нехваткой структурно-энергетических ресурсов, необходимых для выхода из провалов Δ L на восходящие ветви последующих инфрадианных циклов. Образно говоря, черенковым саженцам группы E 2 «не хватило сил» для выхода на третий цикл, а всем остальным черенковым саженцам «не хватило сил» для выхода на второй цикл. В пользу этой гипотезы свидетельствует тот факт, что в контрольной группе сеянцев S с 4-летней корневой системой полностью реализован сезонный цикл развития побегов, включающий четыре инфрадианных цикла.

На рано завершивших рост побегах экспериментальных клонов нехватка структурноэнергетических ресурсов может быть обусловлена как межклоновыми, так и внутриклоновыми различиями. Вероятно, в первом случае продолжительность морфогенеза контролируется генетическими факторами, а во втором случае — эпигенетическими, в частности, процессами ризогенеза.

Для верификации выдвинутых гипотез нами разработаны схемы двух популяционноклоновых экспериментов: по сравнению морфогенеза побегов S. triandra в разновозрастных посадках и по сравнению морфогенеза побегов на одновозрастных саженцах, выращенных из черенков, заготовленных из разных частей порослевых побегов. Выполнение экспериментов запланировано на 2021 г.