Сравнительный анализ эколого-биологического статуса семян у популяционных локусов дикорастущего злака Stipa krylovii

Процесс формирования растений в экологических условиях Восточного Забайкалья сопряжен с нарушением пространственной организации роста и развития зародышей зерновок, диспропорциями накопления запасов в эндосперме, что существенно снижает процессы начального роста проростков. Предполагается, что данный феномен может передаваться по наследству и закрепляться в потомстве.

Объектом исследований был представитель семейства Poaceae - Stipa krylovii Roshev. ковыль Крылова, являющийся эдификатором равнинных и нагорных степей и имеющий существенное кормовое значение.

Анализ литературных данных, касающихся рассматриваемого вида, показал практически полное отсутствие научных сведений относительно этой проблемы. Поэтому наше исследование, которое проводилось впервые, является особенно актуальным. Основной его целью было изучение экологобиологических особенностей адаптации Stipa krylovii к среде обитания на основании оценки его эколого-биологического статуса (ЭБС).

В этой связи были поставлены следующие задачи:

• 1.    Установить степень анатомо-морфологической сформированности отдельных эмбриональных структур зародышей разных популяционных локусов Stipa krylovii.

• 2.    Определить уровень накопления запасных веществ в зерновках разных популяционных локусов Stipa krylovii и эффективность использования их зародышами в период гетеротрофного питания; изучить особенности интенсивности ростовых процессов у проростков Stipa krylovii.

• 3.    Определить критерии и рассчитать параметры оптимального эколого-биологического статуса (ОЭБС) семян для разных популяционных локусов Stipa krylovii; на основе разработанных критериев провести сравнительный анализ ЭБС семян.

Для разделения семян изучаемого вида на популяционные локусы использовали модифицированный на кафедре физиологии растений, микробиологии и агрохимии Иркутской государственной сельскохозяйственной академии метод определения содержания белка в интактных (ненарушенных) зерновках злаков И.Э. Илли и др. [4], что позволило нам использовать их для дальнейших исследований. Всего нами было получено по пятнадцать популяционных локусов для каждого вида исследованных злаков.

Под термином «популяционный локус» нами понимается эволюционно возникший тип организмов, приспособленный к условиям среды с выраженными изменениями внешних и внутренних особенностей. Анатомические особенности сформированных зародышей злаков определяли на временных препаратах по методике, изложенной в [7]. Измерение структур зародышей злаков проводили методом микроскопии с помощью окулярного микрометра, предварительно рассчитав цену деления шкалы в микрометрах по стандартной шкале предметного микрометра [1].

Для статистической обработки полученных данных по анатомии зародыша использовали компьютерную программу Microsoft Excel 2000; выборка состояла из 25 зародышей для каждой популяции. Для того чтобы оценить объемы зародышевых структур, мы решили использовать формулы эллиптического цилиндра (К = лаЬН ) и эллиптического конуса (И = у лаЬН ), где а - большая полуось эллипса, лежащего в основании цилиндра или конуса, b - малая полуось эллипса, лежащего в основании цилиндра или конуса, Н - высота конуса или цилиндра. В результате для оценки каждой из морфологических структур нами использовалась формула:

Р = Р1+Р2+... + Р„Ч>М) + М^^

Исследования ростовых процессов проводили по международной методике анализа семян [2]. Для определения силы роста проростков проводили морфофизиологическую оценку проростков на 4-е и б-е сутки [5]. Так как данная методика использовалась для оценки проростков культурных растений, в частности пшеницы [3], то нам пришлось разработать свои критерии оценки для проростков дикорастущих ксерофитных злаков. Наряду с этим определяли интенсивность роста проростков, динамику накопления сухой массы в стеблевой и корневой частях прорастающего зародыша, а также эффективность использования питательных веществ эндосперма прорастающим зародышем. Расчет интенсивности роста проростков проводили по методике, предложенной И Г. Строной [6].

Эффективность использования проростком запасных веществ эндосперма семени в период гетеротрофного питания определяли в динамике как разницу между массой сухой зерновки до прорастания и массой остатков эндосперма на 4-е или б-е сутки.

Экспериментальные данные обработаны на IBM PC Pentium IV с использованием статистического пакета программного обеспечения Microsoft Excel. С помощью t-критерия Стьюдента мы проверили гипотезу о равенстве средних. На уровне значимости 0,05-5% гипотеза отвергалась, поэтому мы делали вывод о существенности различий между популяционными локусами.

Изучение ЭБС семян у генофонда популяционных локусов позволило нам определить параметры каждого показателя для создания модели экотипа дикорастущего злака Stipa krylovii. Модель ОЭБС семян была получена на основе 14 ключевых показателей (табл. 1). Для реализации этой части программы исследований они были приняты за 100%, а соответствующие показатели различных популяционных локусов сравнивали с этой величиной.

Таблица 1

Показатель	Экотип злака Stipa krylovii
1. Анатомо-морфологические
Объем колеоптиля, • 104 мкм%Д-104 мкм3	4507±0,8
Объем первого листа, • 104 мкм3±Д- Ю4 мкм3	1792±0,4
Объем первичного корня, • 104 мкм3±Д-104 мкм3	1882±7,8
Объем колеоризы, • 104 мкм3±Д-104 мкм3	4656±9,7
Объем щитка, -104 мкм3±Д-104 мкм3	4105±2,1
Объем эпибласта, • 104 мкй%Д-104 мкм3	215±0,9
Объем осевых органов, • 104 мкм'; V К)4 мкм3	9163±0,3
Объем зародыша, • 104 мкм3±Д-104 мкм3	13483±0,9
2. Биохимические
Эффективность использования запасных питательных веществ эндосперма проростком	67,24
3. Ростовые
Сила роста проростков,% (по Лихачеву, 1986)	67,24
Интенсивность роста стеблевой части проростков,% (по Строна, 1964)	228,0
Интенсивность накопления массы стеблевой части проростков,% (по Строна, 1964)	205,3
Интенсивность роста корней,% (по Строна, 1964)	131,0
Интенсивность накопления массы корневой части проростков,% (по Строна, 1964)	192,8

Критерии ОЭБС семян для модели экотипа дикорастущего злака Stipa krylovii

Результаты исследования показали, что среди популяционных локусов вида Stipa krylovii (рис. 1) лучше других оказался адаптирован локус 3. Тринадцать из четырнадцати показателей его ЭБС значительно превышали эталонный критерий. Эффективность использования запасных питательных веществ эндосперма проростками этого локуса отклонялась от эталона в сторону увеличения на 53,7%, а интенсивность накопления массы стеблевой части проростков - на 39,1%.

Локусы 8, 10, 13, 14 и 15 не соответствовали критерию только по 1-2 исследованным нами показателям. Для всех них характерна низкая эффективность использования запасных питательных веществ эндосперма проростками, одной из причин которой могут быть чуть сниженная степень сформиро-ванности колеоризы, эпибласта (водопоглощающих органов) и щитка (выполняющего запасающую, секреторную, всасывающую и транспортную функции).

Наименее адаптированными были локусы 5, 7 и 12. В них 5-6 из 14 изучаемых показателей были существенно ниже эталона. Вероятно, слабая морфологическая дифференциация некоторых структур зародыша оказала существенное влияние на показатели ростовых и биохимических процессов, что снизило интенсивность роста стеблевой и корневой частей проростка.

----Модель вида                                    --- МйДеиьвида ---Локус №1

----Модель вида

Локус №7

■-----Модель вида

Локус №9

----Модель вида

Локус №13

Рис. Г ЭБС семян Stipa krylovii. 1-8 - анатомо-морфологические показатели: 1 - объем колеоптиля, 2 - объем зародышевого листа, 3 - объем зародышевого корня, 4 - объем колеоризы, 5 - объем щитка, 6 - объем эпибласта, 7 - объем осевых органов, 8 - объем зародыша; 9-13 - ростовые показатели: 9 - сила роста проростков, 10 - интенсивность роста стеблевой части проростков, 11 - интенсивность накопления массы стеблевой части проростков, 12 - интенсивность роста корней, 13 - интенсивность накопления массы корневой части проростков; 14 - биохимический показатель: эффективность использования запасных питательных веществ эндосперма проростком.

Однако необходимо подчеркнуть, что диспропорция развития отдельных морфологических структур у изучаемого нами вида Stipa krylovii достаточно велика: как в сторону уменьшения значений отдельных показателей от эталона соответствующего экотипа, так и в сторону их увеличения. В процессе эволюции злаков на фоне дефицита влаги и тепла в период формирования семян нарушение пространственной организации роста и развития зародыша и диспропорция запасов зерновки, по-видимому, закрепляются и передаются по наследству. Характерно, что популяционные локусы злаков, имеющие высокий ЭБС, хорошо адаптированы к экологическим условиям региона, и в этой связи они являются более продуктивными и имеют больше шансов к выживанию.