Изменчивость морфологии листовых пластинок при семенной репродукции ивы трехтычинковой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменчивость морфологии листовых пластинок при семенной репродукции ивы трехтычинковой

Изложена история развития взглядов на возможность апомиксиса у видов с различным уровнем плоидности и современное состояние проблемы. Проанализированы проблемы цитогенетики ивы трехтычинковой (Salix triandra L.). Сформулирована цель исследования: обосновать возможность редуцированного гаметофитного апомиксиса при семенной репродукции ивы трехтычинковой и выявить закономерности расщепления по морфологии листовых пластинок при апомиктической репродукции этого вида.

Для получения и обработки материала использованы основные методы морфологии растений: экспериментальный, описательный и сравнительный. В семенном потомстве коротколистной формы ивы трехтычинковой, полученном в условиях беспыльцевого режима, выявлено расщепление по морфологии листовых пластинок. Наряду с типичной формой (f. typica), выявлены сеянцы с уникальной морфологией листьев: узколистная (f. angustifolia) и коротколистная (f. brevifolia). Обоснована гипотеза о возможности гаметофитного апомиксиса у ивы трехтычинковой в виде редуцированного партеногенеза с сохранением гаплоидности зародышей и спонтанной соматической диплоидизации на постэмбриональных этапах онтогенеза. Подтверждена гипотеза о полиплоидном происхождении ивы трехтычинковой. Полученные результаты рекомендуется использовать при описании формового разнообразия ивы трехтычинковой в природных популяциях, а также при планировании селекционного процесса и оценке полученного материала.

Род Ива (Salix L., Salicaceae Mirb.) представляет собой естественную (монофилетическую) группу двудомных листопадных энтомофильных фанерофитов, характеризующуюся уникальным комплексом признаков: симподиальным типом нарастания побегов, очередным листорасположением, соцветиями сережчатого типа, сильно редуцированным околоцветником и мелкими семенами, снабженными пучком волосков [1, С. 9]. Среди ив широко распространены цитогенетические феномены полиплоидии и анеуплоидии [2, С. 165]. С хозяйственной точки зрения, ивы - это исключительно неприхотливые, быстрорастущие древесные растения, которые широко используются для создания защитных и рекреационно-декоративных насаждений, а также энергетических плантаций. Специфическим продуктом ивоводства является прут, используемый для различных видов плетения [3, С. 51].

Многие виды ив издавна введены в культуру и являются традиционным объектом селекции [3, С. 54]. Интенсивная селекция ив основана на межвидовой гибридизации с последующим отбором перспективных клонов [4, С. 19]. Наследование морфологических признаков при отдаленной гибридизации изучается с середины XIX столетия [5, С. 95]. Однако вскоре было установлено, что у многих растений широко распространен партеногенез [6, С. 311]. В дальнейшем H. Winkler [7, С. 2] доказал, что в растительном царстве существует множество типов апомиксиса. Для многих видов Salix апомиксис - обычное явление [8, С. 43]. Поэтому опыление чужеродной пыльцой не всегда приводит к истинной гибридизации, и реальность многих описанных морфогибридов ив может быть поставлена под сомнение [1, С. 64].

Распространенность гаметофитного апомиксиса в популяциях растений с различным уровнем плоидности остается предметом для дискуссий [9, С. 1-309; 10, С. 80]. Ранее [11, С. 43] нами было описано наследование морфологических признаков при редуцированном апомиксисе в семенном потомстве полиплоидной ивы шерстистопобеговой (S. dasyclados Wimm. = S. gmelinii Pall.). Однако существуют цитоэмбриологические доказательства апомиксиса в популяциях диплоидной ивы трехтычинковой (S. triandra L.) [12, С. 723].

Ива трехтычинковая - Salix triandra L. 1753 (S. amygdalina L. 1753) - широко известный представитель ив средней полосы России. С практической точки зрения, ива трехтычинковая - ценный прутяной вид: известно около 70 культиваров, предназначенных для плантационного разведения [13, С. 145]. В системе рода Salix L. 1753 ива трехтычинковая традиционно относится к секции Amygdalinae Koch, 1837 подрода Salix (=Amerina, =Armena) Dum. 1825 [14, С. 104]. Однако данные молекулярно-генетических исследований свидетельствуют об особом таксономическом статусе этого вида [14, С. 947].

В одной из пионерных работ по цитогенетике Salix [15, С. 364] основное хромосомное число S. triandra в разных выборках было определено равным х = 19 (как у большинства Salicaceae) или х = 22. Авторы предположили, что увеличение основного хромосомного числа с 19 до 22 обусловлено фрагментацией крупных хромосом. Эта точка зрения в дальнейшем разделялась и другими исследователями [16, С. 454]. В целом, S. triandra считается диплоидом 2n = 2х = 38, однако в некоторых выборках этого вида были обнаружены триплоиды 2n = 3х = 57 и тетраплоиды 2n = 4х = 88 [17, С. 271], [18, С, 622], [19, С. 56]. Столь высокие хромосомные числа, несомненно, являются производными от меньших чисел [17, С. 282]. Не исключено, что современные виды ив являются аллополиплоидами [16, С. 476].

В настоящем исследовании мы предприняли попытку доказать возможность редуцированного гаметофитного апомиксиса при семенной репродукции ивы трехтычинковой и выявить закономерности расщепления по морфологии листовых пластинок при семенной репродукции этого вида.

Материал и методы

Исходный материал для данного исследования был собран в популяциях ивы трехтычинковой на территории Брянского лесного массива. В дальнейшем полученный материал культивировался в салицетуме Брянского государственного университета на протяжении 2000…2017 гг.

В процессе получения материала и обработки полученных экспериментальных данных использовались основные методы морфологии растений: экспериментальный, описательный и сравнительный.

В качестве исходного генетического материала использовалась семья F0, выращенная из семян, полученных в 2000 г. от типичной особи S. triandra. Место сбора: зеленая зона г. Брянска, терраса р. Десны (53.201025 N, 34.507728 E). Условия произрастания: ТЛУ С5, периферия ассоциации Salicetum cinereae Zуlyomi 1931 (Alnetea glutinosae Br.-Bl. et R. Tx. ex Westhoff et al. 1946; Salicetaliaauritae Doing ex Krausch 1968; Salicion cinereae Mьller et Gцrs ex Passarge 1961). Наиболее продуктивные особи были размножены черенками. В 2010 г. рамета одной из пестичных особей данной семьи в результате свободного внутрисемейного опыления дала семенное потомство F1 с заметным расщеплением по морфологии листьев. Одна из особей F1 характеризовалась короткими листовыми пластинками. Ранее [20, С. 32] эта особь была отнесена нами к коротколистной форме (S. triandra f. brevifolia).

В качестве контроля использовался генетический материал пестичной особи исходного вегетативного поколения R0. Данная особь была выращена из черенка, срезанного в 2009 г. с типичной особи S. triandra. Место сбора: зеленая зона г. Брянска, пойма р. Десны (53,255248 N, 34,382311 E). Условия произрастания: ТЛУ В3, Salicetum triandro-viminalis (Tx. 1931) Lohm. 1952 (Salicetea purpureae Moor 1958; Salicetalia purpureae Moor 1958; Salicion albae Tx. 1955). Рассматриваемая особь характеризуется длинными узкими листьями (S. triandra f. longifolia) [20, С. 32].

В данном исследовании использовались сеянцы F2, выращенные из семян, полученных от коротколистной особи (S. triandra f. brevifolia) в 2017 г. в условиях беспыльцевого режима. Посев семян производился 05.06.2017 на влажную фильтровальную бумагу в чашки Петри, которые накрывались крышками. Проращивание семян велось на рассеянном дневном свету. После того, как главные корни достигли достаточно большой длины (5…7 мм), наиболее сильные всходы в количестве 100 шт. были распикированы по две штуки в пластмассовые стаканчики объемом 0,5 л. В процессе пикировки все сеянцы были поделены на две равные серии (по 25 шт.) для того, чтобы можно было учесть возможное влияние условий выращивания на морфологию листьев. Сеянцы первой серии выращивались на торфо-минеральном субстрате, а сеянцы второй серии - на минеральном. Первоначально все сеянцы выращивались на рассеянном дневном свету под крышками от чашек Петри, и только после появления 3…4 настоящих листьев крышки постепенно снимались, и стаканчики выставлялись на солнечный свет. Одновременно выбраковывались слабые сеянцы: в каждом стаканчике из двух сеянцев оставлялся один.

Все сеянцы на протяжении вегетационного периода 2017 г. выращивались в условиях защищенного грунта. Уход за ними заключался в поливе, опрыскивании водой, профилактической обработке инсектоакарицидами и подкормке жидким комплексным удобрением. В период интенсивного роста регулярно выбраковывались слабые сеянцы, отстающие в развитии. В итоге было сохранено 14 сеянцев из первой серии (tr 01…14) и 10 сеянцев из второй серии (tr 15…24).

Первое описание сеянцев производилось 15.08.2017: с точностью ±0,5 см измерялась их высота h. После этого верхушки были прищипнуты, а затем (по мере отрастания боковых побегов) они вновь прищипывались. Второе описание сеянцев производилось 15.09.2017, когда их нарастание в длину практически завершилось. С точностью ±0,5 мм измерялись размеры листовой пластинки: ширина X и длина Y. Для измерения срезалось по два наиболее крупных листа из средней части побегов. Эти же листья гербаризировались, а затем сканировались.

Обработка полученных результатов заключалась в вычислении индекса продолговатости листовой пластинки X/Y и ранжировании сеянцев каждой серии в порядке возрастания этого индекса. Для визуального анализа полученных результатов использовалась диаграмма рассеяния в системе координат X, Y.

Результаты и обсуждение

От контрольной узколистной особи (S. triandra f. longifolia) в 2013 г. в условиях беспыльцевого режима было получено небольшое количество семян (первое семенное поколение F1) с низкой всхожестью. Сеянцы F1 развивались слабо, и в итоге до высадки в грунт было выращено лишь 5 особей, одна из которых характеризовалась длинными узкими листьями, подобно материнской особи. Среди этих пяти особей две оказались тычиночными, а одна пестичной. Выявленный факт расщепления по морфологии листовых пластинок и по гендерной принадлежности указывает на возможность гаметофитного апомиксиса в виде редуцированного партеногенеза. Установленная возможность апомиксиса позволила перейти к изучению изменчивости морфологических признаков при данном способе семенной репродукции.

Апомиктическое потомство F2 коротколистной особи (S. triandra f. brevifolia) выращивалось в условиях тщательного ухода, что позволило повысить число выживших полноценных особей.

Семена F2 оказались очень мелкими, визуально меньше, чем обычные семена ивы трехтычинковой. Всхожесть собранных семян на фильтровальной бумаге составила практически 100%. Через 10 дней после посева (15.06.207) всходы были распикированы в грунт. Дальнейшее развитие сеянцев протекало крайне медленно, и только к середине июля они перешли в фазу 5…7 настоящих листьев. Однако с конца июля начался бурный рост сеянцев. К середине августа выявились различия между сеянцами по высоте. Сеянцы высотой менее 25 см были выбракованы. Среди сохраненных сеянцев их высота варьировалась в достаточно широких пределах. Например, в первой серии сеянцев (на торфо-минеральном субстрате) был получен следующий ранжированный ряд по высоте (см): 29 - 35 - 41 - 42 - 48 - 56 - 56 - 58 - 58 - 62 - 62 - 64 - 68 - 74. В данном случае первые пять сеянцев оказались сравнительно слабыми, а остальные девять - достаточно сильными.

Когда интенсивное нарастание побегов прекратилось, на каждом сеянце из обеих серий было произведено измерение двух листовых пластинок: их ширины (X, мм) и длины (Y, мм). На основании полученных данных была построена соответствующая диаграмма рассеяния (рис. 1).

Рис. 1

цитогенетика ива морфология

Примечание: По оси абсцисс ширина листовой пластинки, мм; по оси ординат длина листовой пластинки, мм. В легенде указаны серии и типы конфигурации листовых пластинок: «узко» - узколистные, «коротко» - коротколистные

В общем массиве данных отчетливо выделяется главная последовательность листьев с типичной конфигурацией листовых пластинок: индекс продолговатости варьируется от X/Y = 2,7 до X/Y = 3,9 в первой серии и от X/Y = 2,9 до X/Y = 4,0 во второй серии. Эта последовательность включает два кластера сеянцев: мелколистные (X < 28 мм, Y < 100 мм) и крупнолистные (X > 30 мм, Y > 90 мм). Оба кластера несколько перекрываются по длине листовой пластинки, но хорошо обособлены по ее ширине.

В кластере с шириной листовой пластинки менее 28 мм выявлены уникальные сеянцы. В первой серии два сеянца (tr 13 и tr 14) характеризуются узкими листьями (X/Y = 4,9…5,9). Во второй серии один сеянец (tr 24) характеризуется узкими листьями (X/Y = 4,5…5,4), а два сеянца (tr 15 и tr 16) - короткими листьями (X/Y = 2,5…3,2). На этом основании были выделены три формы, различающиеся по конфигурации листовых пластинок: типичная (f. typica), узколистная (f. angustifolia) и коротколистная (f. brevifolia). Цифровые данные по изменчивости ширины и длины листовых пластинок всех трех форм приведены в таблице (табл. 1).

Таблица 1. Изменчивость морфологии листовых пластинок

Полученные формы могут быть выявлены и визуально. На рисунке 2 показаны листовые пластинки узколистной и типичной форм в первой серии, а на рисунке 3 - листовые пластинки узколистной, типичной и коротколистной форм во второй серии (масштабная линейка 100 мм).

цитогенетика ива морфология

Рис. 2. Формы листовой пластинки в первой серии сеянцев

Рис. 3 Формы листовой пластинки во второй серии сеянцев

Выводы

Замедленное развитие сеянцев, выращенных из семян, полученных в условиях беспыльцевого режима, на ранних этапах онтогенеза (в ювенильном возрастном состоянии) указывает на возможность гаметофитного апомиксиса в виде редуцированного партеногенеза с сохранением гаплоидности зародышей. Бурное развитие этих же сеянцев на последующих этапах онтогенеза (в имматурном возрастном состоянии) указывает на возможность спонтанной соматической диплоидизации.

В семенном потомстве коротколистной формы ивы трехтычинковой наблюдается расщепление по морфологии листовых пластинок. Большинство выращенных сеянцев характеризуется типичной конфигурацией листовых пластинок (f. typica). Некоторые сеянцы сохранили признаки коротколистной формы (f. brevifolia) подобно материнской особи. Однако некоторые сеянцы характеризуются узкими листовыми пластинками (f. angustifolia). Узколистная форма выявлена нами впервые (в отличие от сравнительно часто встречающейся длиннолистной формы f. longifolia). Само наличие расщепления дополнительно свидетельствует о возможности гаметофитного апомиксиса в виде редуцированного партеногенеза. Возможность гаметофитного апомиксиса подтверждает гипотезу о полиплоидном происхождении ивы трехтычинковой. Выщепление типичных, а также узколистных форм указывает на гетерозиготность изученной коротколистной материнской особи и достаточно сложный тип наследования морфологии листовых пластинок. Полученные результаты рекомендуется использовать при описании формового разнообразия ивы трехтычинковой в природных популяциях, а также при планировании селекционного процесса и оценке полученного материала. В частности, возможность появления новых вариантов признаков в результате апомиксиса заставляет критически отнестись к получению исходного материала путем гибридизации.

Список литературы

1.Skvortsov A.K. Willows of Russia and Adjacent Countries. Taxonomical and Geographical Revision / A.K. Skvortsov. - Joensuu: University of Joensuu, 1999. - 307 p.

2.Bыchler W. Neue Chromosomenzдhlungen in der Gattung Salix / W. Bыchler // Bot. Helvet. - 1985. - N - S. 165-175.

3.Сукачев В.Н. Из работ по селекции ивы / В.Н. Сукачев // Селекция и интродукция быстрорастущих древесных пород. - Л.: Гослестехиздат, 1934. - С. 51-85.

4.Фучило Я.Д. Селекційні основи виведення нових сортів рослин сімейства Вербові (Salicaceae Mirb.) для створення енергетичних плантацій / Я.Д. Фучило, O.O. Афонiн, М.В. Сбитна // Сортовивчення та охорона прав на сорти рослин. - 2016. - №4. - С. 18-25.

5.Wichura M. Bastardbefruchtung im Pflanzenreich, erlдutert an den Bastarden der Weiden / M. Wichura. - Breslau: Verlag von E. Morgenstern, 1865. - 95 p.

6.Braun A. Ьber Parthenogenesis bei Pflanzen / A. Braun // Physikalische Abhandlungen der Konigl. Academie der Wissenschaften zu Berlin. - Berlin, 1857. - S. 311-376.

7.Winkler H. Parthenogenesis und Apogamie im Pflanzenreiche / Winkler. - Jena: Verlag von G. Fischer, 1908. - 166 S.

8.Хохлов С.С. Апомиксис: классификация и распространение у Покрытосеменных растений / С.С. Хохлов // Усп. соврем. ген. - М.: Наука, 1967. - Вып. 1. - С. 43-105.

9.Кашин А.С. Гаметофитный апомиксис как неустойчивая система семенного размножения у цветковых / А.С. Кашин. - Саратов: Науч. книга, 2006. - 309 с.

Размещено на Allbest.ru