Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Особенности репродукции видов семейства pinaceae lindl. В условиях северо-запада таежной зоны россии (на примере карелии)

03.02.01 - Ботаника

доктора биологических наук

Тренин Виталий Васильевич

Петрозаводск - 2010

Работа выполнена в Институте леса Карельского научного центра РАН

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Кищенко Иван Тарасович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Антипина Галина Станиславовна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Бабич Николай Алексеевич

доктор биологических наук, профессор Дроздов Станислав Николаевич

Ведущая организация: Карельская педагогическая Академия

Защита состоится « 17 » ноября 2010 г. в 14 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Республика Карелия, Петрозаводск, пр. Ленина, 33

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского

государственного университета

Автореферат разослан « « 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук И. М. Дзюбук

Общая характеристика работы

клетка хвойный поллютант урожайность

Актуальность темы. Изучение особенностей репродукции растений является одним из наиболее важных направлений ботанических исследований. Способность к размножению растительных организмов во многом определяет их выживание в конкретных условиях места произрастания. Хвойные растения, к которым относятся многие лесообразующие виды, в естественных условиях размножаются главным образом семенами. Без изучения особенностей полового размножения трудно понять процесс эволюции вида, формирования его ареала, внутривидовые взаимоотношения. Без детального исследования эмбриологических процессов в норме и патологии немыслимо развитие лесного семеноводства, получение новых сортов и гибридов (Некрасова, 1973).

Те виды семейства Pinaceae Lindl., которые входят в состав аборигенной растительности на территории Карелии, чрезвычайно интересны в генетическом отношении, т. к. формируются на стыке евроазиатских флор, образуя множество гибридных форм. Актуальность изучения особенностей репродукции аборигенных видов хвойных растений в Карелии обусловлена необходимостью как сохранения генофонда этих видов, так и их селекционного улучшения.

Аборигенная дендрофлора Карелии насчитывает всего 6 видов хвойных растений. Поэтому многие исследователи связывают решение проблемы повышения биологического разнообразия лесных фитоценозов республики с интродукцией древесных растений (Андреев, 1975 Лантратова, 1985; 2009; Кищенко, 2000). Объективная оценка перспективности интродуцентов возможна лишь на основе всесторонних исследований их роста и развития в новых условиях местопроизрастания.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящего исследования является установление закономерностей эмбриологических процессов у аборигенных и некоторых интродуцированных видов сем. Pinaceae в условиях Карелии, а также определение влияния этих процессов на качество пыльцы и семян. В соответствии с этой целью решались следующие задачи:

1. Установить особенности эмбриологических процессов у лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), ели колючей (Picea pungens Engelm.) и ели сизой (P. glauca = P. canadensis (Mill.) Britt.).

2. Изучить закономерности эмбриологических процессов на субклеточном уровне и выявить ультраструктуру клеток тканей репродуктивных органов хвойных растений.

3. Определить урожайность шишек и семян у ели финской (Picea x fennica (Rgl) Kom.) в разных типах лесных сообществ; оценить степень влияния поллютантов на эти показатели.

4. Выявить значение некоторых параметров среды, стимулирующих семеношение у сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.).

5. Определить закономерности внутривидовой дифференциации сосны обыкновенной и ели финской на основе изменчивости признаков их генеративных органов.

Достоверность и обоснованность. Исследования проводились в течение 25 лет по четырем бюджетным и одной хоздоговорной темам НИР Института леса Карельского Научного центра Российской академии наук. Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждаются значительным объемом экспериментального материала и применением современных методов проведения научных исследований и обработки полученных данных. Важнейшие результаты опубликованы в центральных научных журналах.

Защищаемые положения.

1. Морфогенез генеративных почек лиственницы сибирской.

2. Особенности эмбриологических процессов, качество пыльцы и семян у аборигенных и некоторых интродуцированных видов семейства Pinaceae.

3. Ультраструктура органов половой репродукции, а также апекса побега хвойных растений.

4. Стимулирование семеношения сосны обыкновенной.

5. Закономерности внутривидовой изменчивости фенотипических признаков сосны обыкновенной и ели финской.

Научная новизна. Впервые получены данные по срокам прохождения и особенностям основных эмбриологических процессов у лиственницы сибирской, елей колючей и сизой в условиях северо-запада таежной зоны России. Эмбриологическое изучение ели колючей отличается мировой новизной. Существенно дополнены имеющиеся сведения по эмбриогенезу сосне обыкновенной и ели финской.

Впервые описаны типичные белковые тела в пыльцевых зернах лиственницы сибирской и сосны обыкновенной. Впервые в мире выявлены особенности ультраструктуры эндосперма и оболочки семени хвойных растений в ходе их развития.

Проведены оригинальные эксперименты по стимуляции семеношения сосны обыкновенной.

Впервые на региональном уровне были установлены особенности внутривидовой изменчивости сосны обыкновенной и ели финской с использованием признаков репродуктивных органов и применением изоферментного анализа. Выявлены новые показатели, позволяющие более полно характеризовать популяции сосны обыкновенной и ели финской в таежной зоне.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследований являются значительным вкладом в эмбриологию хвойных растений. Фактически заложены основы нового направления в эмбриологии хвойных растений - ультраструктурной эмбриологии хвойных.

Полученные в ходе изучения внутривидовой изменчивости данные необходимо учитывать при обосновании мероприятий по сохранению генофондов сосны обыкновенной и ели финской в регионе, а также при разработке стратегии селекционного улучшения этих видов.

Важное практическое значение имеют результаты экспериментов по стимулированию семеношения у сосны обыкновенной.

Организация исследований. Диссертационная работа подготовлена по результатам исследований по бюджетным темам № 62 «Изучение строения основных тканей репродуктивных органов хвойных в их онтогенезе» (№ гос. регистр. 78034323), № 96 «Физиолого-биохимические и цитологические исследования сосны в связи с ее семенной продуктивностью» (№ гос. регистр. 01.86.0109666), № 107 «Исследование природного разнообразия генофондов сосны и ели в Карелии» (№ гос. регистр. 01.90.0037737), № 120 «Внутривидовая изменчивость и популяционная структура хвойных в Карелии» (№ гос. регистр. 01.950003636), а также хоздоговорной темы «Морфогенез представителей рода Ель в условиях интродукции».

Личный вклад автора заключается в обосновании темы, постановке задач и разработке методики исследования, руководстве творческим коллективом, организации исследований. Автор принимал непосредственное участие в сборе материала и его обработке. Все свето- и электронно-микроскопические наблюдения выполнены лично диссертантом. Обобщение материала, анализ полученных данных и подготовка основных публикаций по результатам исследований также выполнены автором.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 1-м Всесоюзном симпозиуме по половой репродукции хвойных (Новосибирск, 1973), на 111 Всесоюзном симпозиуме по применению электронной микроскопии в ботанических исследованиях (Петрозаводск, 1974), на симпозиуме «Методы подготовки сложных объектов и анализ электронно-микроскопических изображений» (Петрозаводск, 1976), на Х-й Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Ташкент, 1976), на У11 Всесоюзном симпозиуме по эмбриологии растений (Киев, 1978), на 1У Всесоюзном симпозиуме «Электронная микроскопия в ботанических исследованиях» (Рига, 1978), на 111 Всесоюзном совещании по оплодотворению и опылению растений (Ленинград, 1983), на 1Х Всесоюзном совещании по эмбриологии растений (Кишинев, 1986), на У1 Всесоюзном симпозиуме «Ультраструктура растений» (Чернигов, 1988), на Международной научной конференции «Экологические проблемы интродукции растений на современном этапе» (Краснодар, 1994), на Всероссийском совещании «Биологическое разнообразие лесных экосистем» (Москва, 1995), на Международной конференции, посвященной проблемам биоразнообразия в Фенноскандии (Петрозаводск, 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 54 научные работы, в том числе 3 монографии (1 - в соавторстве). В центральных научных журналах опубликовано 12 статей, из них 8 - в изданиях по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 215 страницах и состоит из введения, 8 глав, заключения и выводов. Список литературных источников включает 387 наименований, из которых 98 - на иностранных языках. Текст иллюстрирован 15 таблицами, 31 рисунком.

Глава 1. Обзор литературы по теме исследований

Отсчет научных работ в области эмбриологии хвойных растений принято начинать с исследований Роберта Броуна (Brown, 1826). За последующие 180 лет накопилось большое количество исследований эмбриологии хвойных, выполненных с помощью светового микроскопа. Опубликовано несколько обзоров. В 1935 г. вышла знаменитая книга К. Чемберлена «Голосеменные: структура и эволюция» (Chamberlain, 1935). Она содержит исчерпывающий обзор работ, вышедших до 1934 г. Значение этой книги очень велико Достаточно сказать, что приведенный в ней материал цитировался почти без изменений на протяжении 50 лет. Почти также долго цитировалась книга по эмбриологии голосеменных немецкого автора К. Шнарфа (Schnarf, 1933).

После фундаментальных обзоров К. Шнарфа и К. Чемберлена неоднократно появлялись частные обзоры по отдельным проблемам эмбриологии голосеменных и хвойных растений: по эмбриогенезу (Roy Chowdhury, 1962), по строению мужского гаметофита (Sterling, 1963), по строению и развитию архегония (Maheshwari, Sanwal, 1963), по женскому гаметофиту (Maheshwari, Singh, 1967), по репродуктивным процессам и структурам (Konar, Oberoi, 1969). Венцом классических светомикроскопических исследований эмбриологии голосеменных является фундаментальная сводка Х. Синга (Singh, 1978).

Электронно-микроскопическое исследование органов половой репродукции - сравнительно молодое направление в эмбриологии хвойных растений. В 1959 г. вышла статья французского ученого А. Камефора (Camefort, 1959), в которой были приведены результаты электронно-микроскопического изучения строения крупных включений в яйцеклетке сосны черной австрийской. За период с 1959 по 1971 гг. А. Камефор опубликовал около 30 статей, в которых на примере нескольких видов хвойных и гинкго проследил изменения в ультраструктуре формирующейся яйцеклетки и проэмбрио. Дальнейшее развитие это направление получило в работах других иностранных ученых, изучивших тонкое строение мужской и женской гамет, а также цитоплазмы зародыша в фазе проэмбрио (Chesnoy, 1967, 1969, 1971, 1973; Willemse, Linskens, 1969; Gianordoli, 1973, 1974).

Первые исследования мужской генеративной сферы хвойных растений с помощью электронного микроскопа были проведены несколько позднее, но они отличались полнотой и заложили основу современных представлений об ультраструктурных изменениях в ходе микроспорогенеза и развития пыльцы. Детально прослежены особенности тонкого строения клеток спорогенной ткани микроспорангия подокарпа (ногоплодника) крупнолистного от стадии археспория до тетрад микроспор и изучено развитие мужского гаметофита от стадии свободных микроспор до зрелой пыльцы (Vasil, Aldrich, 1970). Из других элементов микроспорангия в этой статье особое внимание было уделено формированию тапетума. Ультраструктура выстилающего слоя стенки микроспорангия особенно подробно исследована у сосны Банкса (Dickinson, 1970 Dickinson, Bell, 1976 a; Dickinson, Bell, 1976 b). К основополагающим должны быть отнесены и статьи М.Т. Виллемсе по электронно-микроскопическому изучению микроспорогенеза и строения тапетума у сосны обыкновенной (Willemse, 1971 a; Willemse, 1971 b; Willemse, 1971 c; Willemse, 1971 d).

Электронно-микроскопические исследования генеративных органов хвойных в Советском Союзе были начаты в 1976 г. в Институте леса Карельского филиала АН СССР. Результаты первых лет работы опубликованы в ряде статей Г. М. Козубова и обобщены им в монографии «Биология плодоношения хвойных на Севере» (Козубов, 1974). Отмечая заслуги Г. М. Козубова как инициатора электронно-микроскопических исследований эмбриологии хвойных в нашей стране, следует все же отметить, что полученные данные были фрагментарными и нуждались в уточнении и дополнении.

Важнейшими задачами лесного семеноводства являются оценка урожайности и качества семян, а также изучение биологии семеношения основных лесообразующих видов (Тольский, 1956; Яблоков и др., 1987). Многочисленными исследованиями семеношения древесных растений установлена зависимость урожая семян от возраста, состава, полноты, бонитета древостоев и типа леса, или условий местопроизрастания (Алексеев, 1932; Алексеев, Молчанов, 1938; Некрасова, 1948, 1960; Молчанов, 1950, 1967; Simak, Gustafsson, 1959; Великайнен, 1959, 1974; Заборовский, 1961; Петров, 1961; Белецкий, 1965; Пастухова, 1967; Bergan, 1967; Тимофеев, 1972; Воробьев, 1974; Ирошников и др., 1974; Pihelgas, 1975; Рубцов, Смирнова, 1976; Щербаков, Щербакова, 1977; Барабин, 1978; Бережной, 1978; Чертовский, 19768; Попов, 1978; Ермолина, 1980; Ненюхин, 1980; Мосин и др. 1987; Говорин, 1988; Листов, 1990; Третьякова, 1990; Дворецкий, 1992; Бабич, 1993; Решетник, 1996: Бажина, Квитко, Муратова, 2007 и др.).

Глава 2. Краткий очерк природных условий карелии, объекты и методы исследований

Описывается географическое положение, дается характеристика рельефа, агроклиматических районов, лесного фонда Карелии. Показано природно-климатическое разнообразие региона, определяющее неравномерное распределение древесных пород на данной территории. Приводится описание флористических районов.

Сосновые леса Карелии сформированы повсеместно сосной обыкновенной (Pinus sylvestris L.), которая отличается меньшей требовательностью к почвенно-климатическим условиям, в связи с чем может произрастать в самых разных местах, в том числе на скалах и на болотах. Произрастая в разных климатических и почвенных условиях, приспосабливаясь к ним, сосна обыкновенная образовала многочисленные климатические и экологические типы и формы.

В формировании еловых лесов на территории Карелии принимают участие ель европейская (Picea abies (L.) Karst. ), ель сибирская (P, obovata Ledeb.) и гибрид ели европейской и ели сибирской - ель финская (P. x fennica (Regel) Kom.). Кроме перечисленных видов хвойных растений в состав дендрофлоры Карелии входит лиственница, которая встречаются спорадически в лесах на юго-востоке Карелии (Лантратова, 1985).

Для изучения эмбриологических процессов у лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) в качестве объектов исследования были выбраны посадки в двух географических районах - на юге Карелии, вблизи Петрозаводска, и в районе ж.д. станции Хибины Мурманской области.

Из представителей рода Picea объектами эмбриологического изучения стали ель сизая (Picea glauca = канадская Picea canadensis (Mill.), ель колючая (P. pungens Engelm.) и, для сравнения, представитель местного вида (P. fennica (Regel) Kom.) с преобладанием признаков ели европейской. Все деревья ели, у которых изучался ход эмбриологических процессов, произрастали на территории ботанического сада Петрозаводского государственного университета.

Для электронной микроскопии объектами изучения служили интродуцированный в Карелии вид - лиственница сибирская, а также аборигенные виды хвойных растений: ель финская, сосна обыкновенная.

Морфогенез генеративных почек и развитие женского гаметофита, а также эмбриогенез, изучался на постоянных препаратах, приготовленных по обычным методикам. Почки фиксировали в смеси Навашина, препараты окрашивались генциан-виолетом по Ньютону. Мейоз в микроспороцитах и развитие пыльцы изучались на временных давленных препаратах (Дженсен, 1965).

Качество семян хвойных растений устанавливалось путем проращивания, а также рентгенографическим методом (Щербакова, 1965).

Для электронной микроскопии применялась двойная фиксация образцов в глутар-альдегиде и осмии, проводка через спирты и ацетон, заключение в эпоксидную смолу (Уикли, 1975). Ультратонкие срезы получали на микротоме ЛКБ III 8800. Просмотр препаратов и их фотографирование проводили на электронном микроскопе Тесла ВS 613. Всего было получено около 1500 негативов электроннографий различных тканей репродуктивных органов хвойных растений, иллюстрирующих тонкое строение этих тканей на разных стадиях развития.

Для стимуляции семеношения у сосны обыкновенной применялось покрытие растений полиэтиленовой пленкой с подкормкой и без подкормки углекислым газом. Температура и влажность воздуха измерялись датчиками прибора ИТВ-1, интенсивность радиации - пиранометрами Янишевского. Информация об изменении внешних условий поступала в непрерывном режиме на диаграммные ленты самопишущих потенциометров КСП 4.

Внутривидовая дивергенция и оценка генотипических различий популяций сосны обыкновенной и ели финской определяли путем измерения количественных признаков шишек и семян, которые были положены в основу вычисления обобщенного расстояния Махалонобиса между пунктами сбора материала (Петров, Шутяев, 1984). Все расчеты были выполнены на персональном компьютере с помощью специально разработанной оригинальной математической программы.

Глава 3. Морфогенез генеративных почек

Заложению органов половой репродукции предшествует генетически обусловленный процесс детерминации, в значительной мере находящийся под влиянием внешних условий. Формирование генеративных почек древесных растений связано с деятельностью специальных генеративных, или флоральных, меристем (Эзау, 1980). Генеративная меристема у хвойных растений обычно возникает в результате преобразования апекса вегетативного побега. У представителей сем. Pinaceae, по имеющимся в литературе данным, значительной разницы между числом примордиев (зачатков) вегетативных почек из года в год не наблюдается. Характерная для многих видов хвойных растений периодичность плодоношения является следствием того, что в разные годы неодинаковое количество заложившихся примордиев развивается по пути превращения в генеративные почки (Оуенс, 1973).

В главе приводятся результаты изучения строения апекса побега сосны обыкновенной и процесса развития почек у лиственницы сибирской. Электронно-микроскопическое изучение строения клеток почек ауксибластов сосны обыкновенной и брахибластов лиственницы сибирской, показало, что принципиальных различий в тонком строении клеток из разных цитологических зон апекса побега у этих видов растений нет. Сравнение с литературными данными свидетельствует о том, что и у других видов хвойных растений строение клеток апекса побега в принципе не различается.

Для цитоплазмы клеток внутренней зоны апекса побега хвойных характерно наличие запасных веществ в виде крахмала в амилопластах и липидов в форме типичных липидных капель. Клетки из внутренней зоны апекса побега, по-видимому, играют функцию депо запасных веществ, крахмала и липидов. При переходе к состоянию зимнего покоя содержание крахмала в клетках снижается, а количество и размеры липидных включений, наоборот, увеличиваются.

Детальное изучение развития генеративных почек лиственницы сибирской позволило установить, что в середине июля апексы некоторых почек брахибластов начинают увеличиваться. Затем происходит заложение примордиев микроспорофиллов, что позволяет уверенно идентифицировать мужские почки. Инициация брактей в женских почках начинается несколько позднее. Их примордии появляются в нижней части периферической зоны апекса почки в первых числах августа.

Критический период в морфогенезе почек лиственницы сибирской, когда возникает готовность к развитию по генеративному пути, наступает в конце июня-начале июля и совпадает по времени с окончанием фазы активного прироста боковых побегов. Точное время инициации генеративных почек варьирует по годам довольно заметно.

Глава 4. Эмбриологическое изучение видов сем. Pinaceae

Последовательность и связь основных эмбриологических процессов у хвойных растений показаны на рисунке. Микроспорогенез полностью протекает в микроспорангиях. Развитие мужского гаметофита также начинается в микроспорангиях и заканчивается после вылета зрелой пыльцы. В нуцеллусе семязачатка хвойных растений чаще всего закладывается одна материнская клетка макроспор, из которой в результате мейоза формируются три или четыре макроспоры, одна из которых в норме дает начало женскому гаметофиту.

Одним из основных этапов микроспорогенеза является мейоз в микроспороцитах. Стерильность пыльцы, успешность оплодотворения и, в конечном счете, качество семян хвойных растений определяются главным образом ходом мейоза. По цитологическим особенностям картина мейоза у лиственницы сибирской и изученных видов рода Ель не отличается, но по срокам прохождения мейоза разные виды хвойных растений могут заметно отличаться.

Рис. Схема основных эмбриологических процессов у хвойных растений

Мейоз в микроспороцитах у лиственницы сибирской в южной Карелии начинается еще осенью. На стадии диффузной диплонемы микроспороциты зимуют, продолжение мейоза в мужских почках лиственницы весной следующего года не приурочено к каким-то определенным срокам. Метафаза первого деления мейоза отмечалась в отдельные годы в конце февраля-начале марта. Понижение температуры воздуха во время мейоза может замедлить прохождение его отдельных фаз. Вследствие асинхронности мейоза внутри одного микроспорангия и в разных микроспорангиях одного дерева развитие материнских клеток микроспор у лиственницы сибирской затягивается и продолжается полтора-два месяца (табл. 1).

В развитии мужского гаметофита лиственницы сибирской до стадии зрелой пыльцы проходит четыре деления. Первые проталлиалъные деления наступают через 10 Ї 20 дней после распада тетрад микроспор. В южной Карелии первое проталлиальное деление можно наблюдать обычно в конце апреля-начале мая. Конкретный срок колеблется в зависимости от погодных условий в пределах 5 Ї 10 дней. Второе деление происходит через 3 Ї 5 дней после первого. Последующие деления идут асинхронно даже в одном микроспорангии. Пылит лиственница сибирская в первой или во второй декаде мая.

Таблица 1 - Прохождение мейоза в микроспороцитах лиственницы сибирской