Влияние глубокого замораживания на прорастание семян и рост растений Kummerowia stipulacea (Maxim.) Makino

Введение. Kummerowia stipulacea (Maxim.) Makino – куммеровия прилистниковая сем. Fabaceae (корейский клевер – Korean clover; леспедеца корейская – Korean lespedeza) – однолетнее растение, произрастает на территории России только на Дальнем Востоке в пределах трех флористических районов – НижнеЗейского, Буреинского и Уссурийского [1]. Характеризуется как стержнекорневой травянистый монокарпик с приподнимающимся моноциклическим монокарпическим побегом [2]. В естественных местообитаниях растет на п-ове Корея, в Северном и Северо-Восточном Китае, Средней и Южной Японии [1,3]. В Приморье изуча- лось как кормовое растение в 50–60-х годах прошлого столетия, но, несмотря на высокую питательную ценность [4] и рекомендации в качестве подсевной пастбищной культуры [5], распространения не получило. Культивируется в Австралии, Индии и Америке, где оно особо рекомендуется для подсева на выбитых и малопродуктивных пастбищах [3].

Нетребовательность K. stipulacea к почвенному плодородию, распространение в природе на бедных маломощных почвах, обитание на щебнистых горных склонах, песках и галечниках, устойчивость к вытаптыванию, холоду и засухе привлекает внимание к использованию данного вида при подборе фитомелиорантов. Вероятно, благодаря этим свойствам растений K. stipulacea , мы встречали их в числе видов зарастающих промышленных минерализованных отвалов, на участках с начальными процессами первичного почвообразования у подножья отвалов, по обочинам дорог. Вид размножается только семенами, вегетативно неподвижен. При изучении возможности использования искусственных посевов для малоплодородных и нарушенных хозяйственной деятельностью почв данный вид весьма перспективен, особенно если учесть, что растения бобовых обогащают почву азотом. С целью разработки эффективных методов улучшения деградированных земель активно изучают и других представителей бобовых, например, однолетние астрагалы [6].

Однако сохранение всхожести семян K. stipulacea всего в течение 2 лет [4] создает определенную проблему. Актуальным становится вопрос разработки режимов долговременного хранения семян. Известно, что общепринятый стандартный температурный режим хранения семян в банках при температуре 4°C [7] и неглубоком замораживании [8] значительно замедляет потерю их жизнеспособности по сравнению с хранением при комнатной температуре, однако длительного сохранения всхожести не обеспечивает. При этих температурах процессы метаболизма не прекращаются, идет перекисное окисление липидов. Наиболее перспективным считается сверхглубокое замораживание семян в жидком азоте при температуре –196°С (криоконсервация) с предварительным изучением реакции семян конкретных видов растений [9].

Цель исследований . Изучение влияния глубокого замораживания на жизнеспособность семян K. stipulacea , рост и развитие растений из деконсервированных семян.

Материалы и методы исследований . Семена K. stipulacea собраны в 2011 г. на участках с нарушенным почвенным покровом на зарастающих угольных отвалах открытых разработок в Приморском крае (с. Ретиховка). Площадки сбора находились в средней части склона на уплотненном участке вдоль обочины старой дороги. Популяция занимает участок до 1 м ширины. Побеги расположены довольно плотно. Сомкнутость надземной части в центральных участках достигает 100 %, а на периферии снижается до 30–50 %. На неуплотненных участках склонов встречается разреженно, что возможно связано с рыхлым субстратом поверхностных слоев с большим количеством мелких фракций, которые перемещаются при сильных ветрах и легко смываются поверхностным стоком.

До начала опытов семена хранили в течение 5 месяцев в бумажных пакетах в холодильнике. Размеры семян определяли измерением 25 шт., массу – взвешиванием 3 проб по 100 семян в каждой. Замораживание в жидком азоте проводили путем прямого погружения воздушно-сухих семян, завернутых в алюминиевую фольгу. Экспозиция – 15, 95 и 380 сут. Размораживали семена в течение 2 ч при комнатной температуре. Для сравнительного изучения при всех указанных сроках определяли всхожесть семян после замораживания и одновременно всхожесть контрольных семян, хранившихся в холодильнике. При проращивании семян регистрировали нормальность проростков. Скарификацию их проводили концентрированной серной кислотой в течение 20 мин, затем промывали в проточной воде. Контрольные семена предпосевным обработкам не подвергали.

Проращивали семена в лабораторных условиях при естественном освещении по 50 шт. в 3-кратной повторности в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге с подстилкой из ваты. Подсчет проросших семян проводили ежедневно. Всхожесть оценивали по отношению количества проросших семян к количеству, заложенных на проращивание, и выражали в процентах. Для характеристики активности прорастания семян этого вида определяли энергию прорастания (всхожесть за 3 дня, %).

Динамику морфометрических и продукционных характеристик сеянцев изучали в течение 380 дней. Проросшие семена (в контроле и после замораживания) высаживали в низкие контейнеры с почвой. Измерения и взвешивания проводили через 0,5; 1; 1,5; 2,5 мес. Морфометрические показатели сеянцев получали измерением 20 шт. в каждом образце. Сырую и сухую массу проростков в ранние фазы развития определяли как общую массу 20 шт., затем рассчитывали на 1 проросток, в поздние фазы – взвешиванием каждого растения в отдельности. Данные по всхожести, энергии прорастания, морфометрическим и продукционным при- знакам при оценке динамики роста растений и продуктивности обработаны статистически с помощью программы Excel. Представлены средние значения и их стандартные ошибки. Для оценки различий между вариантами использовали критерий Стьюдента при уровне значимости P=0,05.

Результаты исследований и их обсуждение . Сформированные семена K. stipulacea были овальными, слегка приплюснутыми, нормально развитыми, 2,46±0,05 (1,78–3,01) мм длины, 1,49±0,04 (1,17–1,92) мм ширины. Масса 1000 шт. воздушно-сухих семян 1,35±0,08 г. Для сравнения в природных популяциях диаметр семян указан до 2 мм [1].

Для выяснения ответной реакции семян на замораживание необходимо знать режимы прорастания семян при мониторинге их жизнеспособности. Дикорастущим бобовым свойственно явление твердосемянно-сти [10]. Твердосемянность формируется как на материнском растении, так и после отделения семян во время их хранения. Прорастание этих семян сильно затруднено из-за непроницаемости семенной кожуры. Такие семена находятся в экзогенном покое, их относят к типу А ф [11]. Для удаления твердосемянности используют приемы, нарушающие целостность семенной кожуры. Степень твердосемянности зависит от многих причин, в том числе от видовых особенностей. Подтверждение этому мы наблюдали ранее при работе с 12 видами бобовых при использовании химической скарификации серной кислотой. При этом всхожесть 11 видов повысилась значительно [12]. Повышение всхожести представителей сем. Fabaceae после обработки семян серной кислотой отмечалось неоднократно [13, 14]. Скарификация серной кислотой семян K. Stipulacea хотя и привела к ускорению прорастание семян, повышению энергии и увеличению размеров проростков (разница достоверна), однако не повлияла на итоговую всхожесть семян (табл. 1). Обнаруженный уровень всхожести контрольных семян указывает на отсутствие твердосемянности. Похожая картина наблюдалась и при действии жидкого азота. Отмеченное видоспецифическое повышение всхожести после экспозиции семян в жидком азоте для ряда исследованных нами ранее видов сем. Fabaceae [12] для семян K. stipulacea почти во всех вариантах опыта статистически не подтвердилось как в отношении энергии, так и конечного процента прорастания (табл. 1). Небольшое повышение итоговой всхожести отмечено только для семян после замораживания при весеннем их посеве. Замораживание семян K. stipulacea в жидком азоте (температура –196°С) показало, что семена не погибли и сохранили свою жизнеспособность в пределах не ниже контрольного уровня. При этом губительного действия не оказал и срок хранения семян в жидком азоте (табл. 1). Начало прорастания отмечено через 1–2 дня как в контроле, так и в опыте.

Таблица 1

Всхожесть семян и морфометрическая характеристика 3-дневных проростков после скарификации и глубокого замораживания

*К/А t 1 – 1,43; К/С t 2 – 4,78. **К/А t 1 – 0,97; К/С t 2 – 3,45. Примечание. Семена проращивали в чашках Петри.

Возможность применения режима сверхглубокого замораживания семян во время их хранения может быть обоснована только после изучения динамики роста и развития растений, выращенных из замороженных семян. Морфометрические и продукционные показатели роста и развития растений, полученных из семян, хранившихся в жидком азоте в течение 380 дней, представлены в табл. 2. Сравнительный анализ морфометрических и продукционных показателей не выявил статистически достоверной разницы между кон- трольными и опытными растениями (превышение длины стебля у полуторамесячных сеянцев из замороженных семян над контрольными нивелируется на следующем этапе развития).

Рост и развитие сеянцев, выращенных из семян после замораживания в жидком азоте (криохранение 380 сут)

Таблица 2

Примечание. Семена проращивали в контейнерах с почвой.

Очевидно, что криоконсервация не повлияла на рост и развитие растений K. stipulacea . Подобные результаты для представителей бобовых были получены для Sophora flavescens [15], Hedysarum austroku-rilense и H. sachalinense [16], Trifolium pratense и Medicago sativa [17]. В то же время для ряда видов отмечены повреждения и даже гибель проростков, например, для Phaseolus vulgaris [17] и Astragalus mongolicus [18]. Поэтому оценка жизнеспособности растений и их морфологического состояния при выращивании из замороженных семян должна проводиться для каждого конкретного вида. Глубокое замораживание семян K. stipulacea не привело к появлению уродливых экземпляров. Статистически обоснованных различий в динамике роста и развития растений между контролем и опытом не обнаружено.

Заключение . Полученные результаты показали, что криоконсервация семян K. stipulacea в жидком азоте не оказала отрицательного действия на жизнеспособность семян и растений первого поколения, полученных из семян после глубокого замораживания. Применение предпосевной обработки при мониторинге лабораторной всхожести во время криохранения семян этого вида не требуется. Данные могут быть использованы при создании низкотемпературного банка семян.