CC BY
34
УДК 630.2.56.9: 643.0.524
РЕПРОДУКЦИЯ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ПУТИ СОХРАНЕНИЯ ВИДА
Н.Е. Носкова, И.Н. Третьякова
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50, e-mail: [email protected]
В условиях глобального изменения климата в России на территории Красноярского края в последние годы (20002008 гг.) наблюдался запуск микроспорогенеза на 6 мес. раньше, чем обычно, осенью предшествующего пылению года, а не весной в год пыления. Вследствие «осеннего запуска» мейоза в ходе процессов формирования пыльцы наблюдались многочисленные нарушения, пыльца характеризовались большим числом аномалий и низкими показателями жизнеспособности, что привело к существенному снижению урожая шишек и семян.
Ключевые слова: климат, сосна обыкновенная, микроспорогенез, микрогаметофитогенез, пыльца, аномалии, семенная продуктивность, качество семян
In global climate change condition in Krasnoyarsk region in Russia last years (2000-2008) microsporogenesis of Scotch pine started in the autumn of the year preceding pollination, whereas at a norm this process is occurred in the spring of the year of pollination. Owing to “autumn start” of meiosis numerous disturbances of pollen formation were registered. Pollen grains had a lot of abnormalities and poor viability that resulted in sufficient reduction of cones and seed production.
Key words: climate, Scotch pine, microsporogenesis, microsporogametophytogenesis, pollen, anomalies, seed productivity, seed quality
ВВЕДЕНИЕ
Вид Pinus sylvestris L. (сосна обыкновенная) занимает обширный ареал в северном полушарии и является одним из основных лесообразователей умеренного климатического пояса. Этот вид прекрасно адаптирован к местным температурным условиям. Репродуктивный цикл от заложения и дифференциации генеративных почек до полного созревания шишек занимает 25-26 месяцев. Семенная продуктивность невысокая и в условиях Красноярской лесостепи составляет в среднем 19-21 % (Третьякова, 1990). Заложение мужских генеративных органов происходит в июле, а дифференциация спорогенной ткани (археспория) - в августе - сентябре предшествующего пылению года. Процессы микроспорогенеза и развития пыльцы протекают весной, в год пыления - третий тип прохождения мейоза у хвойных (Eriksson, 1968). Пыление и опыление в условиях Красноярской лесостепи проходит в конце первой - во второй декаде июня при сумме эффективных температур 224-253,6 град.-дней (Третьякова, 1990). Глобальное потепление сопровождается постепенным изменением климата в разных регионах Земли (WMO statement..., 2000; Rahmstorf et al., 2007), в том числе и в Сибири. По данным Среднесибирского УГМС (Государственный доклад... 2008) в 2007 г. на территории Красноярского края отмечено, что:
• наступление зимы (2006 г.) задержалось на 12-25 дней;
• наступление весны раньше обычных сроков на 5-25 дней;
• наступление осени задержалось на 3-13 дней - в северных районах и на 15-27 дней - на южных границах края;
• окончание осени позже средних многолетних дат от 5-15 дней (Таймыр, центральные и южные районы) до 20-25 дней (юг и, местами, северные районы Эвенкии)
Увеличение длительности весеннего и осеннего сезонов, вызвало характерный ответ в поведении адаптированных к местным сезонным температурным условиям видов животных и растений, а так же (что оказалось более стабильным и заметным), продвижение зональной растительности в северном направлении и выше в горы, увеличение массы зеленого покрова (Чебакова и др., 2002). Хвойные лесообразующие виды неоднозначно ведут себя в новых условиях. С одной стороны выявлено положительное влияние климатических изменений на ростовые характеристики сосны обыкновенной и лиственницы сибирской (ЯеМеІЛ еі а1., 2003). При этом генеративная сфера лиственницы сибирской проявляет признаки угнетения: наблюдаются нарушения в процессах формирования пыльцы, снижение характеристик качества пыльцевого зерна, низкие урожаи, ухудшение посевных качеств семян (Павлов, Миронов, 2003; Романова, Третьякова, 2003, 2005; Третьякова и др., 2004). В настоящей статье рассматриваются особенности репродукции сосны обыкновенной в условиях глобального изменения климата, обсуждаются перспективы существования вида при продолжительном характере климатических изменений в Красноярском регионе и стратегические пути сохранения вида.
Работа поддержана РФФИ (гранты № Q8-Q4-QQ1Q7, № Q9-Q4-98QQQ, № Q9-Q4-1QQ23, № Q9-Q4 98QQQ интеграционного гранта № 53)
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектом исследования послужили деревья со-
сны обыкновенной, произрастающие в окрестностях г. Красноярска (пос. Березовка, Академгородок, Погорельский ОЭП, платформа Бадаложный). В течение 1999-2009 гг. регулярно собирались образцы мужских почек, микростробилов и пыльцы в осенне-зимний период и весной во время формирования пыльцы и пыления. Образцы фиксировали спиртово-уксусной смесью (Паушева, 1980). Для окрашивания препаратов использовали кармин по Гренахеру (Фрайштат, 1980), ацетогематоксилин (Смирнов, 1968) или сафранин (Паушева, 1980) с разными модификациями. Полученные препараты просматривали и фотографировали на микроскопе МБИ-6 (СССР, ЛОМО). На препаратах определяли фазы микроспорогенеза, и микрогаметофитогенеза, фиксировали отклонения от нормы; определяли морфометрические показатели пыльцевого зерна, проводили анализ аномалий пыльцевых зерен и их жизнеспособность: содержание крахмала в пыльце, прорастание в 15 % растворе сахарозы (Третьякова, 1990). Семенная продуктивность макростробилов оценивалась по Е.Г. Мининой и И.Н. Третьяковой (1983), вес 1000 семян и качество семян рентгенографическим методом (Семена..., 1988). При оценке влияния температурного фактора на процессы репродукции сосны обыкновенной учитывали значения сумм эффективных температур с пороговым значением + 5 и 0 0 С, а также продолжительность вегетационного периода по среднесуточным температурам. Статистический анализ проводили с использованием пакета компьютерных программ Microsoft excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе исследования было установлено, что в условиях изменившегося климата при наличии затяжной и сравнительно теплой осени развитие мужских репродуктивных структур у сосны обыкновенной в окрестностях г. Красноярска не завершалось образованием археспория. Во второй половине октября -начале ноября в микроспорангиях дифференцировались микроспороциты и вступали в подготовительную фазу редукционного деления - профазу I. В этом
состоянии на стадии диплотены развитие спорогенной ткани в микроспорангиях сосны прерывалось до наступления весны следующего года. Такой тип прохождения мейоза характерен для лиственниц (Eriksson, 1968). У лиственниц низкий температурный порог запуска редукционного деления, и события могут проходить при температурах близких к 00С (Тернин, 1982; Третьякова и др., 2004).
Поэтому, осенью до наступления холодов в микроспорангиях успевают дифференцироваться микро-спороциты, и начинается мейоз. К моменту наступления диплотены (профаза I), как правило, устанавливается отрицательный температурный режим, и развитие мейоза приостанавливается. Период покоя продолжается до весны. Однако установлено, что у ин-тродуцированных лиственниц при продолжительном периоде положительных температур осенью микро-спорогенез продолжается до образования тетрад (Шкутко, 1973). В г. Красноярске в последние годы редукционные деления, а затем и деградация тетрад микроспор в микроспорангиях лиственниц наблюдались во время продолжительных зимних оттепелей (Романова, Третьякова, 2005), что и явилось причиной недостаточного количества пыльцы и низкого выхода полнозернистых семян.
Весной с наступлением положительных темпера-турв микроспорангиях сосны обыкновенной возобновлялись процессы формирования спорогенной ткани: микроспороциты проходили оставшиеся стадии профазы I и при пороговом значении среднесуточной температуры в пределах 10-12 0 С редукционное деление завершалось. Для запуска второго деления мейоза также необходимо пороговое значение температуры. При похолодании в период микроспорогенеза экваци-онное деление задерживалось до наступления благоприятных температур (2003, 2009). Оба деления мик-роспорогенеза проходили с высоким уровнем аномалий (до 40 %, табл. 1). В ходе дальнейшего развития примерно 29-32 % мейоцитов с нарушениями в ходе мейоза деградировали. Не утилизированные мейоци-ты в процессе дальнейшего развития формировали аномальные пыльцевые зерна (30-80 %, рис. 1).
Таблица 1 - Частота встречаемости мейоцитов с нарушениями деления
Нарушение %
Хромосомные и хроматидные мосты 7
Отстающие хромосомы и фрагменты 1,5
Параллельное расположение веретена деления (может привести к слиянию полюсов деления) 36
Нарушение функций ахроматинового веретена 3-4
Неравное распределение генетического материала между дочерними клетками 0,5
Выброс хромосом за пределы веретена деления 1-2
Ранний цитокинез (после первого деления) 3-5
Исследование гаметофитогенеза у сосны обыкновенной показало асинхронность протекания процесса у разных деревьев и в пределах одного микростробила. Сроки и длительность этапов развития пыльцы варьировали в зависимости от метеорологических условий, главным образом от температуры. В процессе формирования пыльцы наблюдалось изменение внутриклеточного окислительновосстановительного потенциала, развитие пыльцевых оболочек, стремительный рост размеров пыльцевых зерен (рис. 3).
Максимальных размеров гаметофиты достигли за два-три дня до начала пыления и составили 106116 % от размеров зрелого пыльцевого зерна. В последующие дни размеры пыльцевых зерен уменьшались, что связано с подготовительными процессами, предшествующими пылению. Установлено, что перед началом пыления в пыльцевых зернах идет дегидратация, цитоплазма уплотняется, частично дестругирует. Гаметофиты уменьшаются в размерах, впадают в состояние покоя (Козубов и др., 1970).
Рисунок 1 - Аномальные пыльцевые зерна у сосны обыкновенной: а-в- пыльцевое зерно с аномальным числом воздушных мешков: а- с тремя, б- с четырьмя и в- с двумя нормальными воздушными мешками и одним мешком воротничкового типа; г- воротничковое пыльцевое зерно; д,е,л,м- пыльцевые зерна с деформациями тела и мешков (е- линзовидное пыльцевое зерно); ж-к- сросшиеся пыльцевые зерна; н- гипертрофированное (диплоидное) пыльцевое зерно (показано стрелкой); о-мелкое пыльцевое зерно(показано стрелкой); п- деградирующая пыльца
(1992).
Перед началом пыления наблюдалось истончение интины и заполнение воздухом мешков пыльцевого зерна. Влажная погода задерживала процессы подготовки и начала пыления (2008). Дожди во время пыления препятствовали растрескиванию стенок микроспорангия, и процесс пыле-ния растягивался на долгие дни (2003, 2005, 2009). При установлении сухой и теплой погоды (2001, 2002, 2004, 2006, 2007) наступало дружное массовое пыление, которое завершалось за несколько дней.
Цитологические исследования показали, что в образцах зрелой пыльцы доля характерных для сосен двухклеточных гаметофитов составила только 24-32 %. Остальную массу составила пыльца на стадии проталлиальных делений (1820 %), одноклеточная (37-41 %) и деградирующая (10 %) пыльца. Доля тератологических форм превысила 40 %.
Таким образом, 50-60 % зрелых пыльцевых зерен на момент вылета из спорангия не завершили гаметофитогенез и, следовательно, не способны прорастать и формировать пыльцевую трубку. В таком случае следует ожидать низкие показатели жизнеспособности пыльцы: накопление крахмала (вегетативная клетка пыльцевого зерна), прорастание (формирование пыльцевой трубки) и длина пыльцевой трубки.
Действительно, тест на крахмал показал слабое накопление крахмала в зрелых пыльцевых зернах (20-50 %), что коррелирует с низким выходом двухклеточных гаметофитов (г=0,95) и слабым прорастанием пыльцы на искусственных сре-
мк
Рисунок 3 - Динамика роста микроспор сосны обыкновенной в процессе формирования мужского гаме-тофита: и - длина, Ь - высота
Первые проталлиальные деления зарегистрированы за неделю до начала пыления. За три дня до начала пыления в образцах встречались пыльцевые зерна с 1-ой и 2-мя проталлиальными клетками. Интересно отметить, что исключительно редко наблюдалось образование более чем двух проталиальных клеток. Образование проталлиальных клеток у семенных растений считается примитивным признаком. Для сосен образование более двух проталлиальных клеток в процессе формирования микро-гаметофита явление редкое. Подобные случаи описаны Ругузовым и Склонной у кедра атласного
дах (г=0,84).
В отдельные годы (2000, 20004, 2006, 2007) пыльца была полностью стерильной и не прорастала на питатнльных средах (табл.2). В остальные годы получены низкие показатели прорастания пыльцевых зерен. Мужские гаметофиты формировали, в основном, короткие пыльцевые трубки. При этом пыльцевые трубки часто были «забиты» кал-
лозными пробками, что препятствовало перемещению ядра вегетативной клетки и генеративной клетки в трубку: цитоплазма вегетативной клетки располагалась у апикального конца трубки, соединяясь с содержимым пыльцевого зерна тонким цитоплазматическим тяжом. Такие пыльцевые трубки не превышали в длину 1-1,5 диаметра тела пыльцевого зерна и быстро лизировали.
Таблица 2 - Прорастание пыльцы на искусственных средах in vitro
Год Показатели жизнеспособности пыльцы
п.Березовка Академгородок Погорельский ОЭП пл.Бадаложный
Прорастание, % Длина трубки, мкм Прорастание, % Длина трубки, мкм Прорастание, % Длина трубки, мкм Прорастание, % Длина трубки, мкм
1999 53 198,4 78,9 294,2 - - - -
2000 0 0 0 0 0 0 0 0
2001 12,6 26,3 47 105 21,8 31,8 21,5 93,6
2002 56 83,7 0 0 73 120,4 0 0
2003 49,3 62,1 0 0 32 91,2 0 0
2004 0 0 0 0 0 0 0 0
2005 38 19 - - - - - -
2006 0 0 0 0 - - - -
2007 0 0 0 0 - - - -
2008 32 54 64 101,3 - - - -
2009 - - 74,8 118,5 - - - -
Вследствие недостаточного количества жизнеспособной пыльцы происходило опадение большого количества шишек первого года. Особенно на следующий год после формирования стерильной пыльцы (2001, 2005, 2007, 2008), из-за опада шишек первого года, который на отдельных участках достигал 70 %, зрелых шишек на деревьях во всех районах исследования наблюдалось мало, большое количество семенных чешуй в зрелых шишках несли одни только крылатки.
Семенная продуктивность была ниже средних показателей продуктивности, установленных по данным многолетних исследований для сосны обыкновенной в условиях Красноярской лесостепи (рис. 4). Этот факт свидетельствует о слабой опы-ленности семяпочек или точнее, опыленности жизнеспособной пыльцой - пыльцой, способной прорастать на нуцеллусе семяпочки и формировать пыльцевые трубки.
Показатели качества семян: вес 1000 семян и полнозернистось семян оставались достаточно высокими (рис. 5).
Таким образом, в условиях глобального изменения климата у сосны обыкновенной произошло смещение сроков протекания микроспорогенеза, который начинается на 6 мес. раньше, чем обычно, что сопровождается рядом негативных последствий: формированием стерильной пыльцы, снижением урожая шишек и семян. Вступление сосны обыкновенной в мейоз осенью явилось причиной прохождения делений и формирования пыльцы в более ранние сроки.
Тот факт, что микроспорогенез по сценарию «осеннего запуска» имел место у всех представителей вида одновременно, свидетельствует о том, что эта программа запуска мейоза для сосны обыкновенной более древняя. В дальнейшем, с похолода-
нием и усилением континентальности климата на Земле, мужские структуры не успевали завершить свое развитие до наступления неблагоприятного периода. В процессе адаптации выработались необходимые приспособления, обеспечившие функционирование мужских репродуктивных органов, предусматривающие запуск и прохождение мейоза весной.
В условиях изменившегося климата Сибири в последние годы «старая» программа развития
вновь задействована, и эти приспособления, вероятно, имели негативные последствия на формирование пыльцы.
25 і
Рисунок 4 - Семенная продуктивность макростробилов сосны обыкновенной. *Норма для Красноярской лесостепи 19-21 % (Третьякова, 1990)
8 -| 7-
5 -
21 -
2000
□ 2001
□ 2002
□ 2006
п.Березовка
4,7
5,1
Академгородо
к
5,5
5,4
7,12
Погорельский
ОЭП
5,6
5,8
нл.Бадаложны
5,5
5,3
90
=80-
560
о
550-
І340-
£30
м
S20
І»
0
□ 2000
□ 2001
□ 2002
□ 2006
п.Березовка
Академгородок
Погорельский
ОЭП
пл.Бадаложный
Рисунок 5 - Вес тысячи семян у сосны обыкновенной (а); полнозернистость семян сосны обыкновенной (б)
О существовании в природе двух альтернативных программ прохождения мейоза, свидетельствуют наблюдения финских ученых, впервые обнаруживших в середине 70-х гг. материнские клетки пыльцы в почках мужских побегов сосны в период осеннее - зимнего покоя (Кирііа-ЛИуеппіеші, Рі-Иакаєкі, 1966). Проблема вероятно в том, что утрачены адаптации сосны обыкновенной к развитию мужских структур в условиях «осеннего запуска мейоза». В результате чего формируется пыльца с высоким содержанием пыльцевых зерен, не завершивших гаметофитогенез, и, следовательно, не
способных формировать пыльцевые трубки. Из-за недостаточного количества жизнеспособной пыльцы существенно снижается урожай шишек и семенная продуктивность. Если климатические изменения примут продолжительный характер, то на территории Красноярского региона можно ожидать сокращение ареала и миграции вида в северном направлении. Анализ литературных данных позволяет предположить и другие пути решения проблемы выживания вида в сложившейся ситуации. Возможно, адаптационные механизмы приведут в соответствие генеративные процессы в микроспорангиях сосны. Возможно, дозревание пыльцевого зерна будет происходить на нуцеллусе семяпочки, как у Juniperus и Taxus baccata. Тем более известны случаи изменения порядка формирования мужского гаметофита при изменении условий произрастания. Например, у кедра гималайского, интродуцирован-ного в Крыму, в микроспорангии проходят только два митотических деления, а остальные три - на нуцеллусе семяпочки, тогда как в условиях естественного произрастания на нуцеллусе семяпочки проходит только одно, последнее, предшествующее оплодотворению, деление (Склонная, 1985; Ругу-зов, Склонная, 1992). Вопрос в том, будет ли вид располагать временем для осуществления «стратегических решений выживания».
В сложившихся условиях актуальным является применение и развитие биотехнологических методов размножения сосны обыкновенной. Особенно перспективным представляется метод соматического эмбриогенеза in vitro. Этот уникальный многофункциональный инструмент можно успешно использовать для сохранения лесных генетических ресурсов Сибири, в том числе, сосны обыкновенной. В институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН г. Красноярска успешно ведутся эксперименты по получению соматического эмбриогенеза у сосны обыкновенной и других хвойных лесообразовате-лей Сибири.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Государственный доклад О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае за 2007 год Красноярск 2008. 266 с.
Козубов, Г.М. Цитоэмбриологические исследования и ультраструктура репродуктивных органов сосны обыкновенной / Козубов Г.М., Тихова М. А., Сулимова Г.М. // Лесоведение. №2. 1970. С. 85-93.
Минина, Е.Г. Геотропизм и пол у хвойных. / Минина Е.Г, Третьякова И.Н. // Новосибирск, СО АН СССР, 1983. 199 с.
Павлов, И.Н. Динамика посевных качеств семян Larix si-birica Ledeb. В насаждениях юга Сибири с 1936 по 2000 г.г. / Павлов И.Н., Миронов А.Г. // Хвойные бореальной зоны. 2003 Выпуск 1. С. 14-21.
Паушева З.П. Практикум по цитологии растений // М.: Колос, 1980. 304 с.
Репродуктивные структуры голосеменных (сравнительное описание) // Л.: Наука, 1982. 104 с.
Романова, Л. И. Особенности микроспорогенеза у лиственницы сибирской, растущей в условиях техногенного стресса / Романова Л.И., Третьякова И.Н. // Онтогенез.
а
6
4
3
0
5
5
6
б
86
75
92
85
90
82
94
90
2005. Т. 36. № 2. С. 128-133.
Романова, Л. И. Перспективы использования лиственницы в озеленении городов Сибири / Хвойные боре-альной зоны. Лиственница / Романова Л.И., Третьякова И.Н.// Красноярск. 2003. Вып. 1. С. 40-46.
Ругузов, И.А. Формирование мужского гаметофита у некоторых представителей сосновых, кипарисовых и тисовых / Ругузов И. А., Склонная Л.У. // Cytologo -Embryological studies of higher plants: collected scientific works. Yalta. 1992. Vol. 113. P. 62-73.
Семена древесных пород. Методы рентгенографического анализа. ОСТ 56-94-87 // 1988. 23 с.
Склонная Л.У. Особенности формирования семян у можжевельника высокого и кедра гималайского в Крыму // Тез. докл. II Всесоюзного симпозиума «Половое размножение хвойных растений» 10-12 сентября 1985. Новосибирск. 1985. С. 34-35.
Смирнов Ю.А. Ускоренный метод исследования соматических хромосом // Цитология. 1968. № 2.
Тренин В. В. Микроспорогенез. Мужской гаметофит. / В кн.: Репродуктивные структуры голосеменных
(Сравнительное описание) // Л.: Наука, 1982. С. 44 -71.
Третьякова И.Н. Эмбриология хвойных // Новосибирск: Наука, 1990. 157 с.
Третьякова, И.Н. Структурно-функциональные изменения в генеративных органах у сибирских видов хвойных в условиях глобального потепления климата / Третьякова И.Н., Н.Е. Носкова, Л.И. Романова // Материалы Всероссийской конференции, посвященной 60 летию Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и 70 летию образования Красноярского края 1-3 сентября, Красноярск, 2004, С. 369-371.
Фрайштат Д. М. Реактивы и препараты для микроскопии. // М.: Химия, 1980. 480 с.
Чебакова, Н.М. Прогноз изменения фитомассы лесов в широтных и высотных зонах при потеплении климата / Чебакова Н.М., Парфенова Е.И., Монсеруд Р. А. // Лесные экосистемы Енисейского меридиана. Новосибирск. Изд-во СО РАН, 2002. С. 252-264.
Шкутко Н.В. Развитие генеративных почек у хвойных растений, интродуцированных в БССР // Материалы I-го Всесоюзного симпозиума «Половая репродукция хвойных». Наука, Новосибирск СО АН СССР. 1973. С. 103 - 106.
Eriksson G. Temperature response of pollen mother cells in Larix and its importents for pollen formation // Stud. Forest. Suec. 1968. v 63.
Kupila-Ahvenniemi, S. Qualitative study on the nucleic acid in the microsporangiate strobilus primordia and the spur shoot primordia of the dormant scotch pine / Kupila-Ahvenniemi S., Pihakaski S. // Ann. Bot. fenn., 1966. v. 3. N 1. p. 141-147.
Rehfeldt Gerald, E. Assessing population responses to climate in Pinus sylvestris and Larix spp. of Eurasia with climate-transfer models / Rehfeldt Gerald E., Tche-bakova Nadejda M., Milyutin Leonid I., Parfenova Elena I., Wykoff William R. and Kouzmina Nina A. // Eurasian J. For. Res. 6-2: 83-98, 2003.
Stefan Rahmstorf. Recent Climate Observations Compared to Projections / Stefan Rahmstorf, Anny Cazenave, John A. Church, James E. Hansen, Ralph F. Keeling, David E. Parker, Richard C. J. Somerville. // Science. 2007. V. 316. P. 709.
WMO statement of the status of the global climate in 2000 // WMO. 2000. № 657. P. 12.
Поступила в редакцию 22 января 2010 г. Принята к печати 27 апреля 2011 г.
