Сохранение генофонда видов рода Campanula L. (колокольчик) в банках семян Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

СОХРАНЕНИЕ ГЕНОФОНДА ВИДОВ РОДА CAMPANULA I (КОЛОКОЛЬЧИК) В БАНКАХ СЕМЯН

I В.П. Викторов

Аннотация. В статье подведены итоги многолетних исследований, связанных с изучением влияния разных условий хранения семян 8 видов Campanula L. на сохранение ими посевных качеств. Установлено, что успех сохранения генофонда обеспечивается криоконсервацией генетически разнородного материала. Растения, выращенные из замороженных семян, не отличались от контроля.

Ключевые слова: сохранение биоразнообразия, криоконсервация, Campanula, банки семян.

Summary. The effect of cryopreservation during 5, 8 or 15 years on the germination and viability of8 species of Campanula L was studied. It was determined, that cryoconservation benefits to save viability of seeds. The plants, which were grown from frozen seeds, doesn't differ from control samples.

Keywords: conservation of biodiversity, cryopreservation, Campanula, seeds' bank.

Сохранение биоразнообразия может быть достигнуто при использовании интегрированного подхода, включающего стратегии in situ и ex situ. Сохранение видов в природных сообществах (in situ) имеет преимущества, которые предполагают возможность действия естественного отбора, что не может быть воссоздано в условиях ex situ (вне естественных мест обитания). Поддержание жизнеспособных и самоподдерживающихся популяций в их естественном состоянии становится все сложнее, многие природные местообитания подвергаются действию антропогенного фактора, и все большее число видов находится под угрозой исчезновения. В связи с этим, особое внимание в последнее время уделяется сохранению видов ex situ, что позволяет про-

водить работы по изучению их биологии, а в дальнейшем и их реинтродук-цию. Таким образом, стратегию ex situ можно рассматривать как своего рода 2Ц «страховой полис» для сохранения редких видов [5, 6, 7, 12].

Сохранение растительных генетических ресурсов ex situ может быть достигнуто различными способами, в т.ч. созданием банков семян, пыльцы, спор, меристем и др. Банки семян дикорастущих растений начали создаваться в наиболее крупных ботанических садах мира в конце 70-х годов XX в. Один из главных вопросов, решаемых при создании банков, — определение условий подготовки материала и режимов хранения [5, 6].

Перспективной технологией XXI в. признана криоконсервация — глубокое замораживание в жидком

азоте (ЖА, t° = -196°С) или в его парах. Такая технология имеет ряд преимуществ перед их хранением при небольшой отрицательной температуре, связанных как с экономическими причинами (относительно недорогой жидкий азот), так и надежностью (семена дольше сохраняют жизнеспособность). Однако для признания крио-консервации оптимальным способом сохранения генофонда видов необходимы длительные и разнообразные исследования. В последнее время количество публикаций, связанных с решением этой проблемы, заметно увеличивается [4, 10, 11].

В настоящем сообщении подведены итоги многолетних исследований, связанных с изучением влияния разных условий хранения семян колокольчиков (Campanula L.) на сохранение ими посевных качеств.

Виды рода Campanula очень декоративны, численность их популяций за последнее время резко сокращается, многие виды берутся под охрану [1, 2]. В связи с этим, большое значение имеет сохранение их генофонда 2|2 в банках семян.

При определении перспектив долговременного хранения семян 8 видов рода Campanula (C. bononiensis L., C. cervicaria L., C. glomerata L., C. latifolia L., C. persicifolia L., C. rapunculoides L., C. rotundifolia L., C. trachelium L.) использовали 4 режима: 1) комната (t° = +20° - +25°С), 2) холодильник (t° = +4° — +5°С), 3) морозильная камера (t° = -10° —12°С), 4) ЖА (t° = -196°С). Мониторинг за сохранением жизнеспособности семян проводили 15 лет. Лабораторную всхожесть определяли в чашках Петри (по 50 штук в 5-кратной повтор-ности). Семена изученных видов имеют разный тип физиологического

покоя; для нарушения его использовали обработку семян гиберелловой кислотой (ГК3) — 500 мг/л в течение 48 час. перед посевом или в процессе проращивания. Семена ряда исследованных видов прорастают очень растянуто, в связи с этим опыты часто прекращали (через 5—8 мес.), когда часть семян оставалась еще твердыми непроросшими, но жизнеспособными и результаты проращивания оценивали по всхожести и жизнеспособности (сумма всхожих и твердых, потенциально жизнеспособных семян). В питомнике проведены эксперименты по выращиванию растений из замороженных и не замороженных (контроль) семян. Полевую всхожесть определяли путем посева 100 штук в 5-кратной повторности. Наблюдения за развитием растений осуществлялись в течение нескольких лет. Для сравнительного анализа проводили биометрические измерения у 30 побегов в фазу массового цветения.

Анализ полученных данных показал, что хранение семян всех видов в комнатных условиях (1° +20° — +25°С) в течение 5 лет привело к достоверному падению их всхожести и жизнеспособности по сравнению с исходными значениями. После 8 лет хранения в комнатных условиях всхожесть и жизнеспособность семян значительно снизилась. У С persicifolia, ^ glomerata, ^ bononiensis, C. trachelium всхожесть и жизнеспособность семян были единичными (2—13%). Семена всех изученных видов, хранившиеся в течение 15 лет в комнатных условиях, полностью потеряли жизнеспособность. Таким образом, комнатные условия (1° = +20° — +25°С) не могут сохранить жизнеспособность семян даже непродолжительное время.

Всхожесть и жизнеспособность семян при хранении их при низких положительных температурах (1° = +4оС) представлены в табл. 1. В течение 5 лет семена C. trachelium и С. ЫирНа достоверно снизили всхожесть и жизнеспособность по сравнению с исходными значениями. Всхожесть семян С. ретарНа практически не изменилась. Достоверное повышение всхожести семян С. сеттапа можно объяснить выходом части семян в процессе хранения из периода покоя, а также тем, что при определении первоначальной всхожести не проводили предварительного замачивания их в ГК3. Таким образом, хранение семян при 1°=+4оС в течение 5 лет замедлило старение семян. Хранение семян в течение 8 лет привело к неко-

торому падению всхожести у С. ЫирНа, С. тЫпсИрЫа, С. ^аАеНит. Длительное (15 лет) хранение семян в холодильнике привело к дальнейшему падению всхожести у большинства видов, за исключением С. glomerata, С. рета^Иа. Таким образом, низкие положительные температуры могут несколько снизить процесс старения семян колокольчиков, но не гарантируют длительного сохранения их посевных качеств.

Реакция семян на замораживание (1 мес.) при 1° = -10°—12оС оказалась неодинаковой у разных видов, однако, выявленные различия для большинства видов недостоверны. Семена С. иасЬАтт достоверно снизили всхожесть и жизнеспособность. Для семян С. ЫирНа также наблюдается подобная

Таблица 1

Влияние хранения семян видов р. Campanula при низких положительных температурах на их жизнеспособность

Вид, происхождение семян, год сбора Контроль Срок хранения tst

(исходные показатели) 5 лет 8 лет 15 лет К/ 5 лет К/ 8лет К/ 15 лет

С. ЬопотепБ^, 74±6 77±3 48±3 54±3 0.4 5.4 3.7

Хатунь, 1985

С. сетсапа, 78±5 80±3 84±5 81 ±2 0.3 0.9 0.6

Яузский п-к, 1986

С. д!отега1а, 60±6 71±8 - 74±2 1.1 - 0.3

Измайловский п-к, 1986 77±5 77±7 74±2 0 0.3

С. ¡а^оЬа, 60±5 31±6 39±3 38±9 3.7 3.6 2.7

Икша,1985 92±2 76±3 79±4 88±2 4.4 3.6 1.4

С. регБга1"о1ю, 93±1 92±2 94±1 94±1 0.4 0.7 0.7

Яузский п-к, 1985

С. гарипси!о|СеБ, 94±1 - 94±2 84±2 - 0 4.5

ГИЗЛ,1985 94±1 95±1 84±2 0.7 4.5

С. го^п^оЬа, 97±1 - 86±6 83±4 - 1.8 6.2

Боровской курган. 1986

С. 1гасЬе!шт, 92±2 66±4 69±16 59±4 5.8 1.4 7.2

Яузский п-к, 1985 98±1 70±5 86±5 90±4 5.3 2.3 2.0

213

Примечание: х) - в числителе дроби - всхожесть, % ( М ± т), в знаменателе М ± т - жизнеспособность (сумма всхожих и непроросших семян), I - коэффициент Стьюдента, при п=5 разница достоверна при I > 2.3 (Р = 95%)

тенденция, но статистический анализ подтвердил достоверность падения значений только жизнеспособности. Длительное (43, 57 мес.) хранение семян при 1°= -10° — -12оС по-разному повлияло на их посевные качества. Статистический анализ показал достоверное падение всхожести семян С. ЬаЫ/оНа и С. тоШпсИ/оЫа, С. ретзт/оНа. Некоторое повышение всхожести семян С. 1гаске1шт можно объяснить влиянием длительного неглубокого замораживания на выход части семян из периода покоя. Таким образом, результаты хранения семян при 1° = -10 — -12оС в течение 43 (57) мес. показывает, что этот режим не может гарантировать долговременного сохранения их всхожести и жизнеспособности.

Пробное замораживание (1 мес.) в ЖА практически не повлияло на сохранение всхожести и жизнеспособности семян большинства видов. В изученных образцах замораживание не оказало влияние и на динамику появления всходов у 5 видов; у С. тоЫпсИ/оЫа и С. Ъопоп1еш1& — ускорило появление всходов, у С. ^аскеИпт — замедлило. Замораживание семян разного происхождения показало, что семена одного вида, собранные в тот же год в разных популяциях могут по разному реагировать на криокон-сервацию [9, 43-49].

Результаты длительного хранения (5, 8, 15 лет) семян в жидком азоте (табл. 2.) показывают, что всхожесть и жизнеспособность семян могут

Таблица 2

Влияние продолжительности сверхглубокого замораживания семян видов рода Campanula на их жизнеспособность

214

Вид, происхождение Нач. Экспозиция в ЖА tst tst 1мес./

семян, год сбора всхо- 1 мес. 43 8 лет 15 лет K/1 43 8 лет. 15

жесть мес. мес. мес. лет.

С bononiensis, 75±5 62±7 79±3 72±4 29±5 1.5 2.3 1.2 5.4

Хатунь, 1986 78±3 65±4 80±2 80±4 87±2 2.6 3.4 2.6 5.0

С cervicaria, 36±4 24±4 76±7 75±4 72±11 2.1 6.4 4.2 4.1

Яузский п-к, 1986 94±3 97±2 79±6 88±4 84±4 1.1 2.8 2.1 3.1

С glomerata, 60±6 54±1 57±5 48±6 74±2 1.0 0.6 1.0 8.9

Измайловский п-к, 77±5 67±3 70±4 63±5 74±2 1.7 0.6 0.7 1.9

1986

С latifolia, 59±5 67±5 62±7 54±5 27±4 1.1 0.6 2.6 6.0

Икша,1986 98±1 99±1 94±2 89±3 93±2 0.7 2.2 3.0 2.7

С persicifolia, 95±2 97±2 96±2 90±2 92±1 0.7 0.4 2.5 1.8

Яузский п-к, 1986 99±1 99±2 96±2 90±2 92±1 0 1.1 3.2 2.5

С rapunculoides, 67±8 54±3 49±7 85±1 67±3 1.5 0.7 9.4 3.1

Боровской курган, 91±2 87±3 49±7 95±2 96±1 1.1 5.2 2.2 2.7

1986

С rotundifolia, 64±4 96±1 58±4 73±3 74±5 6.8 9.2 7.0 4.2

Боровской курган, 90±3 100±0 58±4 93±2 74±5 4.0 10.5 3.5 5.2

1986

С trachelium, 43±1 37±3 55±4 60±3 56±4 1.9 3.6 5.5 3.8

Яузский п-к, 1985 94±3 88±3 89±1 90±3 90±4 1.4 0.3 0.5 0.4

Примечание: см. примечание к табл. 1

1ЕК

флюктуировать. В некоторых случаях колебания весьма значительны и разница между определениями жизнеспособности в разные годы достоверна. Так, у С. rotundifolia всхожесть семян после замораживания оказалась выше, чем начальная; в дальнейшем наблюдалось достоверное падение всхожести и жизнеспособности, а потом снова некоторое повышение посевных качеств. Увеличение жизнеспособности семян некоторых видов может быть случайным (что выяснится в результате дальнейших проверок) или закономерным, связанным с активизацией ферментного комплекса семян при криоконсервации или другими факторами.

Режим глубокого замораживания может быть рекомендован только после изучения влияния замораживания не только на лабораторную всхожесть и жизнеспособность семян, но и на их полевую всхожесть, а также ход онтоморфогенеза особей, рост и развитие растений в последующих поколениях. Эксперименты по выращиванию дикорастущих растений из замороженных семян единичны [3, 8].

В табл. 3 показано влияние глубокого замораживания семян на их лабораторную и полевую всхожесть. У одних видов (С. bononiensis, С. сет-сапа, С. glomeгata, С. trachelium) после криоконсервации наблюдается некоторое падение лабораторной всхожести и жизнеспособности, у других (С. ЫЫрНа, С. ретарНа) эти показатели несколько увеличиваются, а у С. rapunculoides они практически не отличаются. Отмеченные колебания статистически недостоверны, за исключением падения жизнеспособности после замораживания семян С. Ьопо-niensis. Полевая всхожесть (табл. 7.8) также может несколько увеличиваться (С. сетка-па и др.), или уменьшаться (С. bononiensis и др.) по сравнению с контролем. Стастистически достоверные изменения отмечены только у семян С. glomerata. Повышение всхожести его семян после замораживания, вероятно, объясняется несколькими факторами, в т.ч. выходом части семян из состояния покоя.

Выращивание растений из замороженных семян в питомнике показало, что сверхнизкие температуры не 215 приводят к образованию видимых

Таблица 3

Влияние замораживания семян Campanula на их всхожесть и жизнеспособность

Вид Лабораторная всхожесть, % Жизнеспо-соб-ность, % Полевая всхожесть, % tst

К ЖА К ЖА К ЖА 1 2 3

C. bononiensis 74±5 67±5 78±3 65±4 13±4 10±3 1.5 2.6 0.6

C. cervicaria 46±1 25±3 68±8 55±3 9±2 14±7 2.0 1.5 0.7

C. trachelium 43±1 37±3 94±3 88±3 43±2 38±3 1.9 1.4 1.4

C. persicifolia 95±2 97±2 99±1 99±1 10±1 14±2 0.7 0 1.7

C. rapunculoides 92±2 92±3 92±3 93±3 16±3 26±3 0 0 2.3

C. glomerata 60±6 54±1 77±5 67±3 17±2 37±3 1.0 1.7 5.6

C. latifolia 59±5 67±5 98±2 99±1 35±3 40±5 1.1 0.6 0.9

Примечание: I — коэффициент Стьюдента: при п=5 разница достоверна при I > 2.3, при п=3 разница достоверна при I > 2.8 (Р=95%)

морфологических «уродов». Жизненные формы особей, семена которых подверглись криоконсервации, практически не отличаются от контрольных. Отмечены некоторые различия количественных показателей вегетативных и генеративных побегов (табл. 4, 5).

Глубокое замораживание по-разному влияет на морфологические показатели вегетативных укороченных побегов розеточного типа (табл. 4): одни из них могут несколько увеличиваться, другие — уменьшаться. Стати сти-ческий анализ показал недостоверность выявленных различий, за исключением длины черешка у С. №аске-1шт и ширины листовой пластинки у С. сегттапа.

Сравнение биометрических показателей генеративных побегов растений второго года жизни (табл. 5) также показало, что одни показатели уменьшаются после замораживания

семян, другие — увеличиваются. Общих закономерностей выявить не удалось. Так, у C. glomerata наблюдается достоверное увеличение числа узлов на побеге после криоконсервации семян, а у C. persicifolia этот показатель достоверно снизился. Длина венчика у растений, выращенных из замороженных семян, достоверно повысилась у C. glomerata и понизилась у C. trachelium.

Подводя итог, следует отметить, что низкие положительные температуры (+4оС) замедляют процесс старения семян. Криоконсервация семян позволяет сохранить их жизнеспособность на приближенном к исходному уровню. Выращивание Campanula в питомнике из замороженных семян не приводило к образованию «уродливых» экземпляров; рост и развитие вегетативных и генеративных побегов близки к контролю.

Таблица 4

Влияние замораживания семян колокольчиков на морфологические показатели вегетативного побега

216

Показатели. К tst ЖА

C. cervicaria

Число листьев 14±1 0.6 15±1

Длина черешка,см. 5.8±0.2 0.4 5.9±0.2

Длина листовой пластинки,см. 13.4±0.5 1.7 12.3±0.4

Ширина листовой пластинки,см. 6.0±0.2 2.5 5.3±0.2

Индекс листовой пластинки 2.33±0.06 1.3 2.46±0.08

C. trachelium

Длина черешка,см. 19.0±0.3 3.6 16.9±0.5

Длина листовой пластинки,см. 13.7±0.4 1.6 12.9±0.9

Ширина листовой пластинки,см. 11.6±0.3 1.7 11.0±0.2

Индекс листовой пластинки 1.18±0.03 1.4 7.82±0.45

C. persicifolia

Длина листовой пластинки,см. 15.4+0.5 1.5 14.4±0.4

Ширина листовой пластинки,см. 2.01+0.06 1.7 1.84±0.08

Индекс листовой пластинки 7.66+0.41 1.4 7.82±0.45

Примечание: 11 - коэффициент Стьюдента: при n=30 разница достоверна при t > 2.0 (P=95%)

Таблица 5

Влияние замораживания семян побега и цветка (2-й год)

колокольчиков на морфологические показатели

Примечание: см. примечание к табл. 5 2 / 2009

Показатели. | К | tst | ЖА

C Длина побега, см. cervicaria 59.3±2.0 1.4 55.4±1.9

Длина соцветия, см. 30.7±1.9 2.7 23.7±1.8

Число узлов до соцветия 17.9±0.9 0.4 17.4±0.7

Число цветков 236.6±23.0 2.1 169.5±22.6

Длина венчика, мм. 16.9±0.3 1.7 15.9±0.2

Диаметр венчика, мм. 14.9±0.9 1.4 14.2±0.3

Длина листовой пластинки, см. 19.2±0.3 1.2 19.8±0.4

Ширина листовой пластинки, см. 2.5±0.1 1.2 3.0±0.1

С glomerаtа

Длина побега, см. 47.0±1.6 0.6 45.7±1.3

Длина соцветия, см. 17.4±1.6 0.6 18.2±1.0

Число узлов 16.6±0.6 2.1 15.0±0.5

Число узлов до соцветия 8.9±0.4 3.8 7.0±0.3

Длина венчика, мм. 17.6±0.4 1.7 18.6±0.3

Диаметр венчика, мм. 19.6±0.4 0.8 19.4±0.3

С latifolia

Длина побега, см. 45.3±0.9 0.4 44.1±1.1

Длина соцветия, см. 12.5±1.0 0.5 13.4±0.9

Число узлов 16.0±0.5 0.9 16.6±0.5

Число узлов до соцветия 9.5±0.3 0.3 9.6±0.2

Число цветков 7.4±0.5 1.1 8.1±0.4

Длина венчика, мм. 34.5±0.5 0.6 35.1±0.9

Диаметр венчика, мм. 32.8±0.8 1.7 30.9±0.8

Длина черешка листа, см. 2.8±0.1 2.2 3.1±0.1

Длина листовой пластинки, см. 7.3±0.1 4.7 8.5±0.2

Ширина листовой пластинки, см. 4.4±0.1 0.2 4.4±0.1

С persicifolia

Длина побега, см. 70.3±1.7 0.2 70.7±1.7

Длина соцветия, см. 42.9±2.2 0.7 40.2±2.9

Число узлов 33.1+0.9 2.7 37.4±1.3

Число узлов до соцветия 13.0+0.8 2.0 15.7±2.0

Число цветков 42.6±2.6 0.7 39.8±3.2

Длина венчика, мм. 24.2±0.5 0.7 23.9±0.5

Диаметр венчика, мм. 28.3±0.6 0.6 28.9±0.6

Длина листовой пластинки, см. 15.1±0.5 1.4 16.1±0.5

Ширина листовой пластинки, см. 1.1±0.1 1.4 1.2±0.1

С trachelium

Длина побега, см. 69.8±1.7 0.9 68.0±1.1

Длина соцветия, см. 30.0±0.2 1.4 26.8±1.1

Число узлов 26.5±0.5 0.3 26.3±0.6

Число узлов до соцветия 11.7±0.6 0.6 12.2±0.5

Число цветков 47.5±2.3 0.9 52.8±5.3

Длина венчика, мм. 29.6±0.6 2.8 27.6±0.6

Диаметр венчика, мм. 30.3±0.6 2.4 28.6±0.4

Длина листовой пластинки, см. 7.8±0.3 3.1 9.1±0.3

Ширина листовой пластинки, см. 5.3±0.2 1.1 5.6±2.2

217

Преподаватель

ЛИТЕРАТУРА:

1. Викторов В.П. Род Колокольчик // Биологическая флора Московской области. — Вып. 14. — М., 2000. — С. 181— 201.

2. Викторов В.П. Таксономический конспект рода Campanula L. (Campanulaceae) России и сопредельных государств // Новости систематики высших растений. — 2002. — Т. 34. — С. 197—234.

3. Викторов В.П., Тихонова В.Л. Влияние криоконсервации семян видов рода колокольчик на морфо-биологические особенности растений // Актуальные вопросы экологической морфологии растений. — М., 1995.

4. Воронкова Н.М., Холина А.Б., Якубов В.В. Влияние глубокого замораживания на прорастание семян некоторых видов флоры Дальнего Востока России // Раст. ресурсы. — 2003. — № 4.

5. Международная программа ботанических садов по охране растений. — М., 2000.

6. Тихонова В.Л. Стратегия мобилизации и сохранения генофонда редких и исчезающих видов растений Пущино. — М., 1985.

7. Тихонова В.Л., Викторов В.П, Евсеева Н.Н. Реинтродукция — перспективный спо-

соб сохранения и восстановления биоразнообразия // Устойчивое развитие административных территорий и лесопарковых хозяйств. — М., 2002.

8. Тихонова В.П., Яшина С.Г., Шабаева Э.В. Изучение роста и развития дикорастущих травянистых растений из семян, прошедших криоконсервацию / / Биофизика живой клетки. — 1994. — Т. 6.

9. Тихонова В.Л., Викторов В.П., Макеева И.Ю., Яшина С.Г. Влияние низких и сверхнизких температур хранения на лабораторную всхожесть семян дикорастущих травянистых растений. II. Семена видов рода Campanula (колокольчик) // Проблемы криобиологии. — 1991. — № 1.

10. Тихонова В.Л., Викторов В.П. Долговечность семян (справочник). — М., 2005.

11. Холина А.Б., Воронкова Н.М. Сохранение генофонда Дальневосточных растений методом криоконсервации семян // Известия РАН, серия биолог. — 2008. — № 3.

12. Laliberti B. Botanic garden seed banks/ genebanks worldwide? Theif facilities, collection and network // News bot. garden conservation. — 1997. — V 2. — № 9. ■

218

Примечание.

Настоящая работа выполнена в рамках приоритетных направлений развития науки: живые системы и рациональное природопользование. Полученные результаты формируют у студентов фундаментальные представления о способах сохранения биологического разнообразия и нацеливают их на дальнейшее исследование этой проблемы в ходе выполнения курсовых, дипломных и диссертационных работ. Кроме того, у будущих преподавателей формируются профессиональные компетенции, связанные с пониманием необходимости и возможности сохранения генофонда путем криоконсервации. Эти вопросы недостаточно представлены в современных программах курсов по рациональному природопользованию и охране природы.