Студенту

Хвойные бореальной зоны" 2006г.,№1, с. 54-64

Влияние стресса на репродуктивные способности сосны обыкновенной

Носкова Н.Е., Третьякова И.Н.

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, СибГТУ, КГУ, г. Красноярск, Россия

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект № 02 – 04 – 48168).

В условиях техногенеза и изменившегося в последние годы климата в окрестностях г. Красноярска микроспорогенез у сосны обыкновенной начинался осенью, и материнские клетки микроспор зимовали в состоянии профазы I (по типу Larix). Редукционное деление в них завершалось в начале мая следующего года, асинхронно, с многочисленными нарушениями. Кроме того, подавляющая масса микроспор сосны не проходила проталлиальных делений. В результате пыльца оставалась одноклеточной, не способной формировать пыльцевые трубки и прорастать на питательных средах. Пыльца, прошедшая митотические деления, была в основном низкого качества и формировала короткие пыльцевые трубки. Формирование пыльцы низкого качества вело к слабому опылению и обусловило низкую семенную продуктивность и урожайность шишек в исследуемые годы.

Under the technogenic pollutants and the recent changing climate at the Krasnoyarsk region microsporogenesis of Scotch pine started in fall and microspore mother cells  wintered at the prophase I stage (according to the type Larix). Their reduction division finished at the early May of the following year asynchronously with many disturbances. Moreover, majority microspores did not undergo prothallial divisions. As result, pollen remained mononuclear not able to form pollen tubers and to germinate at the nutrient media. Pollen went the mitotic division completely had, mainly, poor quality and formed short pollen tubers. Bad pollen development resulted in weak pollination and low seed productivity and poor cone yield during studied years.

Для изучения мейоза и микрогаметофитогенеза образцы фиксировались в спиртово-уксусной смеси (Паушева, 1980), готовились временные цитологические препараты. При этом микростробилы, помещались в раствор 1н. HCl (для мацерации) на 10 – 15 мин, затем промывались в дистиллированной воде и окрашивались: ацетогематоксилином по Ю.А.Смирнову (1968), кармином по Гренахеру (Фрайштат, 1980) или сафранином (Паушева, 1980) с разными модификациями. На препаратах определяли фазы мейоза, отмечали типы отклонений. Для одного срока фиксации готовились препараты не менее чем с 10 микростробилов.
Из образцов пыльцы, собранной во время пыления, готовились цитологические препараты, на которых определялись морфометрические показатели пыльцевого зерна: длина и высота тела и воздушных мешков; проводился анализ аномалий пыльцевых зерен. Содержание крахмала в пыльце измеряли в растворе Люголя по интенсивности окрашивания в 3 - балльной системе (Третьякова, 1990). Для проращивания пыльцы использовались   15%-й раствор сахарозы, а также минеральная среда, приготовленная по Нигаарду (Nygaard, 1969), и среда MS (Murashige and Scrooge, 1962): пыльца помещалась во влажную камеру, температурный режим (260 С) поддерживался в условиях термостата. Через 6-7 дней производился учет числа проросших пыльцевых зерен (%) и измерялась длина пыльцевых трубок (мкм). Цитологические исследования проводились на микроскопе МБИ-6.
При оценке урожая измерялись высота и диаметр женских шишек, подсчитывались число развитых и неразвитых чешуй, общее число чешуй, число семян. Семенная продуктивность макростробилов рассчитывалась по формуле (Минина, Третьякова, 1983)

Р = n/2N *100%,

Определяли качество семян рентгенографическим методом (Семена…, 1988) и вес тысячи семян.
Статистическую обработку экспериментального материала проводили по общепринятой методике (Рокицкий, 1973), с использованием пакета прикладных компьютерных программ "Microsoft exel".
Результаты и обсуждение
Формирование пыльцы. У сосны обыкновенной процесс формирования микроспорофиллов заканчивается во второй половине лета, процессы микроспорогенеза и формирования пыльцы протекают весной следующего года: при повышении среднесуточных температур в результате высокой митотической активности клетки археспория дифференцируются, в микроспороцитах идут мейотические деления, формируются пыльцевые оболочки, микроспоры претерпевают три проталлиальных деления. В результате, зрелое пыльцевое зерно (мужской гаметофит) сосны обыкновенной имеет генеративную и вегетативную клетку. Вегетативная клетка формируется при прорастании в пыльцевую трубку. Пыление в условиях Сибири проходит, как правило, в начале - середине июня при сумме эффективных температур 224 – 253. 6 град.-дней.

Однако с 2001г., в связи с заметным потеплением (рисунок 1), характерной особенностью для особей этого вида, произрастающих в окрестностях г. Красноярска, стало вступление в процесс микроспорогенеза осенью, в октябре. К этому времени в микроспорангиях сосны обыкновенной происходила дифференциация клеток археспория в микроспороциты, которые, подобно Larix зимовали в состоянии ранней профазы I. Весной, с установлением среднесуточной температуры выше +50С, редукционные деления у сосны протекали с минимальным накоплением эффективных температур (таблица 2).

Процессы редукционного деления находятся в значительной зависимости от погоды, и в условиях высоких положительных температур и низкой влажности 2001, 2002 и 2004 гг. проходили стремительно - за 1-2 дня. Похолодание и атмосферные осадки в 2003-2004 гг. вызывали задержку мейотических событий: в 2003 г. - первое деление мейоза продолжалось с 10 по 14 мая, а в 2004 г. – 15 мая только началось. Микроспорогенез проходил асинхронно, с многочисленными нарушениями (до 40%), в том числе связанными с нарушением функций ахроматинового веретена с образованием диад, триад, пентад и гексад, ранним цитокинезом с последующей деградацией диад, цитомиксисом и др. (рисунок 2).
Примерно у 36% мейоцитов во втором делении наблюдалось параллельное расположение ахроматинового веретена, что является предпосылкой для образования микроспор с нередуцированным числом хромосом (Буторина и др., 1985).
Образование гипертрофированной пыльцы с нередуцированным набором хромосом особенно характерно для 2001г. Мейотические нерегулярности вели к деградации мейоцитов на разных стадиях развития (до 29-32%), к образованию многочисленных аномалий пыльцы. Мейоз заканчивался образованием тетрад микроспор.

В постмейотический период тетрады освобождаются от каллозной оболочки, проходят важные процессы формирования покровов пыльцевого зерна, воздушных мешков и подготовки к проталлиальным делениям. Проталлиальные деления у сосны обыкновенной, как правило, начинаются за 1 – 2 дня до начала пыления. в данных исследованиях в образцах зрелой пыльцы, собранной во время пыления, наблюдалось значительное количество пыльцы, не прошедшей митотических делений, а именно, одноклеточная пыльца и пыльцевые зерна, с одной или несколькими проталлиальными клетками (рисунок 3).

Рисунок 5 - Поведение пыльцы сосны обыкновенной в суспензионной среде invitro:
А – двухклеточное пыльцевое зерно, формирующее трубку;
Б – выход содержимого пыльцевого зерна с антеридиальной и двумя проталлиальными клетками в суспензию;
В – выход содержимого из одноклеточного пыльцевого зерна. (Ок. x7; Об. x20);

Г: 1 – пыльцевые зерна в суспензии, 2 – оболочкипыльцевых зерен после выхода клеток в раствор; 3 – отдельные клетки из пыльцевых зерен в растворе. (Ок. x7; Об. x8);
Д - отдельные клетки из пыльцевых зерен в растворе. (Ок. x7; Об. x20)

Пыльца 2000 и 2004 гг. оказалась полностью стерильной и содержала, одноклеточные пыльцевые зерна и пыльцу с проталлиальными клетками. Такая пыльца, не прошедшая или не завершившая проталлиальные деления, не способна формировать пыльцевые трубки и, следовательно, прорастать на питательных средах. В условиях invitro(на минеральной среде) оболочки одноклеточных пыльцевых зерен и пыльцевых зерен с проталлиальными клетками через 7 - 10 дней разрывались и клетки выходили в питательный раствор (рисунок 5).
Структура урожая шишек. Пыльца низкого качества, формировавшаяся под воздействием поллютантов и в условиях неблагоприятных погодно-климатических факторов, оказала заметное негативное влияние на структуру урожая женских шишек сосны обыкновенной. Исследования показали, что с увеличением уровня загрязнения размеры шишек уменьшались, увеличивалось количество неразвитых чешуй, уменьшалось число семян в шишке, снижалась семенная продуктивность макростробилов (полнозернистость и вес 1000 семян при этом, наоборот, увеличивались, рисунок 6). На следующий год после формирования стерильной пыльцы (2001) шишки на деревьях во всех районах исследования формировались в небольшом количестве (на отдельных деревьях – менее десятка) и характеризовались более низкими показателями структуры урожая по сравнению с годами, когда развитие макростробилов шло после опыления пыльцой лучшего качества (рисунок 7).
Таким образом, экологический стресс оказывает заметное влияние на репродуктивные процессы сосны обыкновенной. Так, формирование пыльцы у сосны обыкновенной в условиях техногенеза и изменившегося в последние годы климата имеоа свои особенности: мейоз начинался осенью, и микроспороциты зимовали в состоянии профазы I (по типу Larix). Мейотические деления весной проходили с минимальным накоплением эффективных температур.
В условиях техногенеза, а также в связи с воздействием низких зимних температур в период ранней профазы I мейоза, микроспорогенез у сосны проходил с высоким уровнем нарушений, происходило блокирование митотических делений в микроспорах. В результате формировалась пыльца низкого качества с большим количеством аномалий, в том числе одноклеточная пыльца, неспособная формировать пыльцевые трубки. Опыление макростробилов пыльцой низкого качества обусловило низкую семенную продуктивность и урожайность шишек в исследуемые годы.
Библиографический список
1. Антипов, В.Г., Болотов, Н.А. Отношение видов пихты к загрязнению промышленными газами. // Защитное лесоразведение и лесные культуры. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1977.- Вып. 4.- С. 15-21.
2. Новый тип мейотической мутации у сосны / А.К. Буторина [и др.] // Генетика. 1985. Т. XXI. № 1. С. 103-111.
3. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение./под. ред. В.А.Алексеева.- Л.: Наука, 1990.- 200 с.
4. Минина, Е.Г, Третьякова, И.Н. Геотропизм и пол у хвойных. // Новосибирск, СО АН СССР, 1983. 199 с.
5. Нормированный по экологической опасности зональный ореол аэрогенного геохимического загрязнения Красноярской агломерации. Карта ЦМС Красноярского УГМС.- Красноярск, 1998.
6. Особенности мужской генеративной сферы сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях экологического стресса/ Н.Е. Носкова [и др.] // II Междунар. конф. по анатомии и морфологии растений: тез. докл. СПб, 2002.- C. 300-301.
7. Осколков, В.А. Качество пыльцы сосны обыкновенной в древостоях Приангарья при разном уровне загрязнения // Лесоведение. 1999 № 2. С. 16–21.
8. Осколков, В.А., Воронин, В.И. Репродуктивный процесс сосны обыкновенной в Верхнем Приангарье при техногенном загрязнении // Иркутск: Изд.-во Иркут. гос. ун-та, 2003.-140 с.
9. Паушева, З.П. Практикум по цитологии растений // М.: Колос. 1980. 304 с..
10. Подзоров, Н.В. Влияние задымления воздуха на качество семян сосны обыкновенной // Лесное хозяйство. 1965.- №7.- С. 47 – 49.
11. Рокицкий, П.Ф. Биологическая статистика. Минск: Высшая школа, 1973. 320 с.
12. Семена древесных пород. методы рентгенографического анализа. ОСТ 56-94-87 // 1988.- 23 с.
13. Смирнов, Ю.А. Ускоренный метод исследования соматических хромосом. // Цитология. 1968.- № 2.
14. Форма кроны и пыльцевая диагностика – параметры стрессового состояния сосны обыкновенной в условиях техногенного загрязнения г. Красноярска и его окрестностей / И.Н.Третьякова [и др.] // Мат-лы X международного симпозиума «Концепция гомеостаза: теоретические, эксперимен-тальные и прикладные аспекты».- Новосибирск: Наука, 2001.- С. 148 – 152.
15. Третьякова, И.Н. Эмбриология хвойных // Новосибирск, «Наука», 1990. 157с.
16. Третьякова, И.Н., Носкова, Н.Е. Пыльца сосны обыкновенной в условиях экологического стресса // Экология.- 2004. №1.- С. 1-8.
17. Федорков, А.Л. Изменение в мужской генеративной сфере сосны при аэротехногенном загрязнении // Эколого-географические проблемы сохранения и восстановления лесов Севера. Архангельск, 1991.- С. 296.
18. Федорков, А.Л. Адаптация хвойных к стрессовым условиям Крайнего Севера. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 97с.
19. Оценка действия двуокиси серы на сосновые насаждения / И.С. Федотов [и др.] // Лесоведение.- 1983.- № 6.- С. 23-27.
20. Фрайштат, Д.М. Реактивы и препараты для микроскопии: справочник // М.: Химия. 1980. 480 с.
21. Шкарлет, О.Б. Влияние дымовых газов на формирование репродуктивных органов сосны обыкновенной (на примере одного медеплавильного предприятия Урала) // автореф. дис. … канд. биол. наук. Свердловск, 1974.- 27 с.
22. Видовая специфичность реакции фотосинтеза хвойных на факторы среды / А.С. Щербатюк [и др.] // Лесоведение. 1999.- №5.- С. 41-49.
23. Benoit L.F., Scelly J., Moora L.D. The influence of ozone on Pinus strobus L. Pollen germination // Can. J. Forest Res. 1983.- V. 13. № 1.- P.184 – 187.
24. Keller T., Beda H. // Effect of SO on the germination of conifer pollen // Environment Pollut. 1984.- V. 33.- № 3.- P. 237-243.
25. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures // Physiol. Plant., 1962.- V. 15. -N 4.-P. 473-497.
26. Nygaard P. Studies in the germination of pine pollen (P. mugo) in vitro 1. Growth conditions and effects pH and temperature on germination, tube growth and respiration // Physiol. Plant. 1969.- V. 22.- № 3.- P. 338-346.
27. Sarvas R. The annual period of development of forest trees. Proc. of  Finnish Acad. of Sci. and Letters. Helsinki,- 1967.