Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анатомическая структура годичных колец у гетеропластических прививок кедровых сосен

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Анатомическая структура годичных колец у гетеропластических прививок кедровых сосен"

На правах рукописи

Дарикова Юлия Александровна

АНАТОМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ У ГЕТЕРОПЛАСТИЧЕСКИХ ПРИВИВОК КЕДРОВЫХ СОСЕН

03.02.01 - Ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой-степени кандидата биологических наук

6 МЮН 2013

005060910

Красноярск - 2013

005060910

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Института экономики, управления и природопользования ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор, академик РАН Ваганов Евгений Александрович

Официальные оппоненты: Горошкевич Сергей Николаевич, доктор биологических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, зав. лабораторией дендроэкологии

Братилова Наталья Петровна,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФБГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», зав. кафедрой селекции и озеленения

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится 26 июня 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 003.056.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/28. Тел./факс: (391) 243-36-86. E-mail: institute_forest@ksc.krasn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЛ СО РАН. Автореферат разослан « мая 2013 г.

Ученый секретарь /и ^

диссертационного совета V^/^Д ClmTV Муратова Елена Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Кедровые сосны являются источником ценной древесины, их семена имеют высокую пищевую ценность, а смола - исходный «материал» для получения различных продуктов [Бех и др., 2009, Титов, 2012]. Медленный рост и позднее вступление в фазу семеношения предполагает поиск подходов к преодолению этих недостатков. Одним из путей, способствующих повышению стволовой и семенной продуктивности, а также сокращению ювенильной фазы, является прививание на подвои близкородственных видов. Кроме того, прививание в садоводческих работах и лесном хозяйстве позволяет проводить отбор в пользу высококачественных и экономически рентабельных экземпляров и гарантирует передачу желаемых признаков и свойств от родительской особи потомству.

Работы, проводимые на прививках кедровых сосен, включали изучение вегетативного роста, биологии цветения, семеношения, особенностей индивидуальной и географической изменчивости роста [Кузнецова, 2003]. Однако взаимодействие компонентов прививок на анатомическом уровне детально не исследовалось. Привитое дерево представляет собой интересный объект, интегрирующий два генетически разнородных организма, поэтому возникает необходимость выявить, что происходит на уровне взаимодействия двух различных геномов. Поскольку механизмы, за счет которых реализуются эффекты прививания, не до конца изучены, то данная работа позволит получить результаты, раскрывающие механизмы, ответственные за активизацию роста привоя.

Цель работы: провести анализ радиального прироста и анатомических характеристик годичных колец прививок кедровых сосен и оценить взаимовлияние привоя и подвоя на процесс дифференциации ксилемы через анатомические характеристики.

Задачи исследования:

1. Провести сравнительный анализ данных по ширине годичных колец и оценку климатического отклика привоя и подвоя у прививок Pinus sibirica Du Tour и Pinus cembra L.

2. Оценить влияние привоя на радиальный диаметр трахеид, площадь люмена, толщину и площадь клеточной стенки подвоя.

3. Оценить влияние подвоя на те же характеристики привоя.

4. Сравнить климатическую реакцию анатомических характеристик компонентов прививок и непривитых деревьев.

Научная новизна. Впервые проведен анализ анатомической структуры годичных колец кедровых сосен (P. sibirica и P. cembra), привитых на сосну обыкновенную и произрастающих в условиях Красноярского края. Также в работе применен новый подход для анализа климатического отклика привитых деревьев, который позволил выявить различия между привоем и подвоем в реакции на температуру воздуха. Впервые проведена оценка влияния видовой принадлежности привоя на радиальный прирост и анатомические характеристики подвоя.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты работы выявили ранее не описанные изменения, происходящие в структуре годичных колец у привитых деревьев данных видов. Сопоставление измерений радиального прироста подвоя и привоя и структуры их годичных колец позволяет дать рекомендации

использования различных климатипов кедровых сосен в качестве компонентов прививки. Полученные результаты выявляют различия в радиальном приросте привоя и подвоя и изменения в их анатомической структуре, связанные с расхождением в фенологических датах компонентов гетеропластической прививки. Это позволяет использовать данную информацию в лесохозяйственных целях при создании прививочных плантаций хвойных видов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие привоя с подвоем не изменяет механизмы, ответственные за дифференциацию ксилемы.

2. Взаимодействие привоя и подвоя уменьшает чувствительность анатомических характеристик к климатическим изменениям.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных теоретических и экспериментальных методов, корректной обработкой полученных данных и большим числом измерений.

Апробация результатов работы. Результаты работы были представлены на 2й Всероссийской с международным участием школе-конференции молодых ученых в Екатеринбурге 1-5 октября, 2012 г и П(Х) Международной ботанической конференции молодых ученых в Санкт-Петербурге 11-16 ноября, 2012. Также результаты обсуждались на семинарах в лаборатории дендрохронологии Института экологии растений и животных УрО РАН (Екатеринбург) и на семинаре лабораторий структуры годичных колец и лесной генетики и селекции в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (Красноярск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, 3 из которых в журналах, включенных в список ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 108 страниц, в том числе 17 таблиц, 20 рисунков, 11 страниц списка литературы, включающего 35 отечественных и 79 иностранных источников.

Благодарности. Автор выражает благодарность к.б.н. Г.В. Кузнецовой за помощь в работе, всем сотрудникам лаборатории структуры годичных колец Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН за помощь в освоении методов дендрохронологии и ценные советы. Работа была выполнена при частичной поддержке проекта №1.7.09 «Анализ основополагающих механизмов координации ростовых процессов первичных и вторичных меристем в морфогенезе древесных растений».

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обсуждается проблема несовместимости привоя и подвоя и способы ее преодоления. Приводятся данные по влиянию подвоя на привой. Обсуждаются возможные механизмы взаимодействия привоя с подвоем. Рассматриваются результаты исследований, полученные ранее на прививках кедровых сосен, произрастающих в Красноярском крае. У кедровых сосен, привитых на сосну обыкновенную, изучен рост, биология цветения, семеношения, особенности индивидуальной и географической изменчивости роста, однако, анатомическая структура годичных колец у привоя и подвоя детально не рассматривалась, в связи с чем возникла необходимость в проведении данной работы.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования. Объектом исследования являются привитые на сосне обыкновенной (Pinus sylvestris L.) деревья сосны кедровой сибирской (Р. sibirica), (называемой далее кедром сибирским), и сосны кедровой европейской (Р. cembrä), (далее называемой кедром европейским). Кедр сибирский представлен двумя климатипами: местный емельяновский (ЕМ) (Красноярский край) и сургутский (СУ) (Тюменская область), а кедр европейский - одним карпатским климатипом (КА) из Ивано-Франковской области (Украина). Далее в названии климатипа использованы приведенные выше сокращения. Каждый климатип представлен пятью деревьями. В качестве контрольных деревьев были взяты непривитые деревья сосны обыкновенной из естественного насаждения и интродуцированные культуры кедра сибирского, произрастающие в сходных экологических и климатических условиях с привитыми деревьями. В качестве контроля отсутствуют деревья кедра европейского, так как не существует его плантаций в районе произрастания прививок. Контрольные группы включали десять деревьев. Средний возраст составил 43-45 лет у прививок и контрольных деревьев сосны обыкновенной и 35 лет у контрольных деревьев кедра сибирского.

Прививки кедровых сосен произрастают в Красноярской лесостепи на территории экспериментальной базы «Погорельской бор» (56°22' с.ш. 92°57' в.д.). В данных условиях климат резко-континентальный, годовая норма осадков составляет 410 мм, среднегодовая температура 1,3°С, сумма температур выше 5°С составляет 1968СС, средняя продолжительность вегетационного периода 149 дней, начало которого приходится на последнюю декаду мая, а конец - начало сентября. Подлесок представлен шиповником, ивой, спиреей, боярышником, черемухой и другими видами растений. Для данной территории характерны супесчаные серые и сильно оподзоленные почвы.

Методы. Керны древесины привоя и подвоя отбирались возрастным буравом по двум радиусам на расстоянии 15 см вверх и вниз от зоны срастания. Ширина годичного кольца (ШГК) измеряли с точностью до 0,01 мм с помощью комплексной установки. Она включает в себя прибор «Lintab 3.0», стереомикроскоп, компьютер и программное обеспечение TSAP. Для того чтобы элиминировать влияние на радиальный прирост факторов неклиматической природы (в т.ч. и возраста) проводился детрендинг исходных кривых прироста с помощью сплайн-функции. 1ПГК индексировалась для каждой индивидуальной хронологии [Cook at. al., 1990]. Удаление возрастного тренда и расчет индексов ШГК проводилось при помощи программы ARSTAN [Holmes, 1983].

В данной работе был применен новый подход для анализа климатического отклика привитых деревьев. Учитывая, что индекс ШГК привоя или подвоя (1гк1шпс) включает в себя несколько составляющих:

IndmrK = 1пс1шгк (климат) + IndllllK (прививка) + 5,

где IndmrK - индекс ширины годичного кольца привоя или подвоя, indmrK (климат) - составляющая, обусловленная влиянием климатических факторов, indmrK (прививка) - составляющая, обусловленная влиянием привоя на подвой или наоборот, 8 - случайная (необъясненная) компонента. Возникает вопрос, есть ли в составляющей ind1Ilrli (прививка) климатическая составляющая. Чтобы выяснить это была проделана математическая процедура, описанная в работе Магда и др. (2011).

Индексированные значения ШГК были преобразованы в z-scores. Далее из индексированной хронологии привоя или подвоя вычиталась соответствующая индексированная хронология контрольных деревьев (для подвоя - хронология по сосне, для привоя - по кедру). Полученные «разностные» хронологии анализировались на корреляцию с климатическими факторами, так же как и исходные индексные хронологии.

Срезы древесины для анатомических измерений (15-20 мкм) (рис. 1) готовились с помощью микротома, окрашивались сафранином или метиленовым синим и помещались на предметное стекло в глицерин [Фурст, 1979]. Анализ анатомических характеристик проводился на поперечных срезах древесины для 10 годичных колец с 2001 по 2010 годы. Измерение клеточных характеристик проводилось у 5-ти радиальных рядов клеток в каждом годичном кольце на установке компьютерного анализа изображений. Данная измерительная система включает в себя микроскоп Carl Zeiss, видеокамеру, компьютер и программное обеспечение AxioVision 4.8.2. Измерялись радиальный диаметр люмена, толщина двойной клеточной стенки и тангентальный размер трахеид. Для минимизации погрешности измерений толщины клеточной стенки проводилось измерение толщины двойной клеточной стенки соседних трахеид. Толщина одинарной стенки вычислялась путем деления пополам двойной клеточной стенки. Радиальный диаметр клетки вычислялся путем сложения значений диаметра люмена и правой и левой клеточных стенок трахеиды.

Рис. 1. Поперечный срез годичного кольца сосны обыкновенной.

Поскольку каждый ряд и каждое годичное кольцо сформировано разным числом клеток, то проводилось нормирование к единому числу клеток - 30. Нормированные трахеидограммы отдельных радиальных рядов клеток усреднялись по 5-ти рядам для получения средней трахеидограммы конкретного годичного кольца, а на следующем этапе усреднение проводилось по всем измеренным деревьям и 10-ти годам роста (2001-2010). Кроме того, анализировались и нормированные трахеидограммы, усредненные по 5 измеренных деревьев для разных лет роста. Использовалось формальное разделение годичного кольца на условно раннюю (1 - 20) и условно позднюю (21-30 клетки в нормированной трахеидограмме) древесину (рис. 1).

Для оценки климатического отклика радиального прироста использовались среднемесячные данные температуры воздуха и месячного количества осадков за период 1975 - 2010 г. из базы данных ERA-interim на сайте http://climexp.knmi.nl для координат 56°22'07.48" с.ш. 92°57' 17.95" в.д. Для оценки влияния климатических факторов на анатомическую структуру годичных колец использовались данные средней апрельской температуры, а также средней температуры воздуха, рассчитанной по среднесуточным данным, и суммы осадков за вегетационный период продолжительностью с последней декады мая по вторую

декаду августа [Ваганов и др., 1985]. Вегетационный период был разбит на 2 интервала: 1) период активного роста, в течение которого формируются в данных условиях до 65-70% клеток годичного кольца; 2) завершающий период, в течение которого в основном прирастают клетки поздней древесины, и завершается формирование клеточных стенок трахеид [Ваганов и др., 1985].

Для косвенной характеристики водопроводящей способности ксилемы и работы биосинтетической системы клетки использовались площадь люмена (ПЛ) и площадь клеточной стенки (ПКС), расчет которых проводился по следующим формулам:

ПКС = 2ТКС(Т+РДТ-2ТКС) (1) ПЛ = РДТ*Т-ПКС (2),

где ТКС - толщина клеточной стенки, Т - тангентальный размер клетки, РДТ - радиальный диаметр трахеид.

Оценка достоверности различий проводилась с помощью ^критерия Стьюдента и дисперсионного анализа.

Глава 3. АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ПРИВОЯ И ПОДВОЯ

Особенности радиального роста привоя и подвоя. Для привитых деревьев Р. сетЬга и Р. .?/'6/>/еа-ЕМ характерно превышение радиального роста привоя над подвоем на 11,6% и 13% соответственно. Прививки Р. яШпса-СУ имеют равномерный прирост привоя и подвоя по диаметру, что указывает на хорошую совместимость данных компонентов прививки. Наряду с превышением роста привоя над подвоем наблюдается и превышение роста подвоя над привоем в отдельные годы, которые не совпадают между видами и климатипами, что может говорить в пользу того, что эти различия детерминируются не одним, а несколькими факторами. Разница в ШГК между привоем и подвоем варьирует в среднем между -0,05 мм и +1,1 мм для Р. .'¡¡Ыгка-ЕМ и Р. сетЬга, для Р. .«'¿/У/са-СУ между -0,05 мм и +0,6 мм. Прививки кедра европейского по сравнению с кедром сибирским имеют более слабый прирост, как привоя, так и подвоя (табл. 1). Средние значения ШГК показывают, что у прививок Р. яЛтса прирост, как привоев, так и подвоев выше, чем у контрольных деревьев, если у привоев почти в 2 раза, то у подвоев на 18-22%. Дисперсионный анализ показывает, что различия в ШГК между привитыми и контрольными деревьями статистически значимы при р<0.05. Таким образом, прививание активизирует рост и привоя, и подвоя.

Таблица 1. Среднее значение ШГК (мм) и стандартное отклонение у компонентов _прививок и контрольных деревьев. _

Р. л/б/г/саг-ЕМ Р. ,иЫпса-СУ Р. сетЬга Контроль

Привой Подвой Привой Подвой Привой Подвой Р.ягЫпса

2,37±0,25 2,12±0,25 2,30±0,20 2,23±0,17 1,83±0,21 1,56±0,16 1,20±0,27 1,85±0,21

Климатическая составляющая в оценке радиального прироста компонентов прививок. Корреляционный анализ индексов ШГК исходных хронологий привоев, подвоев и контрольных деревьев с температурой и осадками показывает, что значимое влияние на прирост оказывает температура апреля. Повышение температуры в апреле ускоряет сход снежного покрова, что

приближает наступление периода вегетации. В случае индексированных «разностных» хронологий подвой сосны обыкновенной не имеет значимой корреляции ни с температурой, ни с осадками. В то же время ¡пс!шпк (прививка) привоя содержит климатически-зависимую компоненту: положительная реакция на температуру воздуха осеннего периода предыдущего года и отрицательная на температуру мая текущего года роста. Такая реакция характерна для растений через почвенные условия и рост корневой системы. Таким образом, реакция привоя на климатические факторы более сложная, чем у подвоя и обусловлена собственной климатической реакцией исходного климатипа и реакцией подвоя. Возможно, разность между индексами радиального прироста привоя и контроля увеличивается в годы с высокими температурами мая, т.е. одной из причин увеличения радиального прироста привоя относительно контрольных (непривитых) деревьев может являться изменение климатической реакции привоя за счет влияния подвоя.

Глава 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАДИАЛЬНОГО ДИАМЕТРА И КОЛИЧЕСТВА ТРАХЕИД

Влияние привоя на формирование трахеид подвоя. У подвоев прививок Р. сетЬга и Р. йШпса-ЕМ радиальный диаметр трахеид уменьшается относительно контрольных деревьев в среднем на 18% и 10% соответственно. При этом у первых значимое уменьшение радиальных размеров отмечается только у трахеид ранней древесины (в поздней сохраняются размеры, свойственные исходным деревьям), а у вторых - у трахеид всех позиций годичного кольца (рис. 2А).

Стандартизированное число клеток

Рис. 2. Вариация радиального диаметра трахеид (РДТ) в пределах годичного кольца (усредненные трахеидограммы за период 2001 - 2010 г.) относительно контрольных деревьев: А) у подвоев Р.sylvestris', Б) у привоев Р. sibirica.

У подвоев прививок Р. sibirica-CV радиальные размеры только части трахеид ранней древесины (позиции 15-22) увеличиваются в среднем на 18%, тогда как остальные трахеиды ранней и поздней древесины существенно не отличаются от трахеид, формируемых в годичных кольцах контрольных деревьев (рис. 2А). Достоверность различий оценивалась с помощью t-критерия Стьюдента при р<0.05. Коэффициенты корреляции РДТ подвоев сосны обыкновенной и контрольных деревьев (для ранней древесины 0.81 - 0.91 и поздней 0.86 - 0.90)

показывают слабую изменчивость процесса формирования трахеид у подвоев относительно контроля. Т.е. несмотря на влияние привоя, программа, контролирующая дифференциацию трахеид, остается стабильной.

У всех подвоев по сравнению с контролем уменьшается среднее число трахеид в годичном кольце (в среднем за все рассматриваемые годы): у Р. cembra в 1,5 раза, у Р. sibirica-СУ и -ЕМ - в 1,2 раза.

Влияние подвоя на формирование трахеид привоя. Относительно контрольных деревьев для годичных колец привоев Р. sibirica обоих климатипов (СУ и ЕМ) характерно увеличение РДТ в среднем на 15% (рис. 2Б). Различия являются значимыми при р<0.05. Связь РДТ у привоев и контрольных деревьев имеет линейную зависимость, что прослеживается каждый год. Таким образом, сезонная динамика размеров трахеид привоев Р. sibirica не отличается от таковой, характерной для непривитых деревьев. Это указывает на то, что взаимодействие привоя с подвоем не вызывает перестройки механизмов, управляющих процессом дифференциации трахеид.

По сравнению с контролем, в годичных кольцах привоев Р. sibirica увеличивается число трахеид (за исключением отдельных лет роста): у сургутских в 1,2 раза, а у емельяновских - в 1,3.

Соотношение радиального диаметра трахеид у компонентов прививки. У контрольных деревьев Р. sibirica и Р. sylvestris радиальные размеры большинства трахеид в радиальном ряду не различаются. То же характерно и для прививок Р. sibirica-CY. У прививок Р. sibirica-ЕМ и Р. cembra РДТ привоев сосны кедровой существенно выше, чем у подвоев сосны обыкновенной на всем протяжении годичного кольца за исключением границы. В среднем радиальный размер трахеид привоя выше, чем у подвоя на 7 мкм у прививок Р. sibirica-ЕМ и Р. cembra. Такая разница в размерах трахеид у компонентов данных прививок отражает различную интенсивность растяжения трахеид одинаковых позиций годичного кольца у привоя и подвоя.

Глава 5. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТОЛЩИНЫ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ

Влияние привоя на формирование клеточной стенки подвоя. У подвоев прививок Р. sibirica толщина клеточной стенки (ТКС) достоверно уменьшается по сравнению с контрольными деревьями (рис. ЗА) у трахеид ранней древесины на 15% у ЕМ и на 24% у СУ, тогда как у подвоев прививок Р. cembra - у трахеид поздней древесины на 15 %.

1 "Ц-П........Г-!-........!........ГТ-т-Т-ГТ-Т-Т-Т-Г-'-Ч-Г---,.......1

1 6 11 16 21 26 1 6 11 16 21 26 Стандартизированное число клеток Рис. 3. Вариация толщины клеточной стенки относительно контрольных деревьев (усредненные данные за период 2001 - 2010): А) у подвоев сосны обыкновенной; Б) у привоев кедра сибирского разных происхождений.

Форма кривой, характеризующей сезонную изменчивость ТКС, однотипная у подвоев и контрольных деревьев. Это указывает на то, что сезонная динамика толщины клеточной стенки подвоев сосны, сосуществующих с привоями кедра, сохраняет свою особенность, присущую исходному виду.

Влияние подвоя на формирование клеточной стенки привоя. Для ТКС ранней древесины привоев Р. sibirica характерно увеличение по сравнению с контрольными деревьями: у привоев ЕМ в среднем на 19%, а у СУ на 10% у трахеид отдельных позиций годичного кольца (рис. ЗБ). Клеточная стенка в зоне поздней древесины у привоев Р. sibirica (обоих климатипов) и контрольных деревьев достоверно не различается согласно t-критерию Стьюдента. Взаимосвязь ТКС у привоев Р. sibirica и контрольных деревьев характеризуется линейной зависимостью, что указывает на отсутствие влияния подвоя на программу дифференцировки клеточной стенки привоя.

Соотношение толщины клеточной стенки у компонентов прививки. В целом, независимо от условий роста (совместного с подвоем или независимого) для кедровых сосен характерно формирование более тонкостенных клеток по сравнению с сосной обыкновенной (рис. 3). Сравнение позиций клеток у привоя и подвоя на нормированных трахеидограммах при переходе к формированию утолщенных клеточных стенок показывает стабильность позиций, характерных для вида у прививок Р. sibirica-EM и Р. cembra: у сосны с 10-й, а у кедра с 15-й. В то же время у компонентов прививок Р. sibirica-СУ этот переход начинается одновременно с 15-й позиции.

Глава 6. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЛОЩАДИ ЛЮМЕНА И ПЛОЩАДИ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ У ПРИВОЕВ И ПОДВОЕВ

Площадь люмена (ПЛ) характеризует водопроводящую способность трахеид, а площадь клеточной стенки (ПКС) отражает накопление органического вещества. Эти характеристики годичных колец у привоев и подвоев изменяются (относительно контроля) аналогично базовым характеристикам (РДТ и ТКС). У контрольных деревьев Р. sibirica и Р. sylvestris ПЛ у трахеид ранней древесины существенно не различается, что также характерно и для компонентов прививок Р. sibirica-СУ (табл. 2).

Таблица 2. Средние со стандартным отклонением значения площади люмена (ПЛ)

и площади клеточной стенки (ПКС) у контрольных и привитых деревьев.

Вид прививки Ранняя древесина Поздняя древесина

ПЛ, мкм2 ПКС, мкм2 ПЛ, мкм2 ПКС, мкм2

Р. sibirica-EM. Привой 1173±13 424±5 635±13 389±7

Подвой 858±17 386±6 309±6 484±7

Р. sibirica-СУ Привой 1183±Ю 381±4 699±11 393±6

Подвой 1085±9 393±5 366±Ю 544±8

Р. cembra

Привой 1050±12 434±5 541±9 398±7

Подвой 796±9 383±4 249±4 445±6

Контроль Р.sibirica 1098±10 338±4 536±7 342±4

Р.sylvestris 980±10 458±5 370±9 539±7

У прививок Р. яШпса-ЕМ и Р. сетЬга водопроводящая способность привоя значительно превосходит таковую у подвоя в зоне ранней древесины.

В контроле ПКС ранней древесины у кедра сибирского меньше, чем у сосны обыкновенной. В то же время ПКС ранней древесины у привоев кедра больше, чем у подвоев сосны на 30% у прививок Р. сетЬга и на 26% - Р. ягЫгка-ЕМ. У компонентов прививок Р. $Шгка-СУ ПКС ранней древесины существенно не различается (табл. 2).

Глава 7. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СЕЗОНА РОСТА НА АНАТОМИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ПРИВОЯ

И ПОДВОЯ

Корреляция анатомических характеристик с климатическими факторами.

Условия первой половины периода вегетации (20 мая - 10 июля) оказывают влияние как на характеристики ранней, так и поздней древесины, а условия второй половины вегетационного периода (11 июля - 20 августа) не влияют на характеристики ксилемы (табл. 3).

Таблица 3. Коэффициенты корреляции анатомических характеристик ранней древесины (РД) со средней температурой (Т) и суммой осадков (Р) первой половины вегетационного сезона (20 мая - 10 июля) и характеристик поздней древесины (ПД) с теми же факторами первой половины (I) и 2-й половины вегетационного сезона (11 июля - 20 августа) (II). * Статистически значимые коэффициенты при р < 0.1. Жирным шрифтом выделены статистически значимые коэффициенты при р < 0.05.

Контроль

Фактор Р. sibirica Р. sylvestris

РД ПД РД ПД

РДТ ТКС РДТ ТКС РДТ ТКС РДТ ТКС

I II I II I II I II

Т 0,55* -0,34 0,67 -0,22 0,65 0,17 -0,53 -0,55* -0,25 -0,11 -0,1 0,26

Р 0,02 0,64 -0,25 -0,27 0,26 -0,2 0,63 -0,09 0,02 0,32 -0,06 -0,14

Прививки

Р. sibirica-ЕМ (привой) Р. sylvestris (подвой)

РД ПД РД ПД

РДТ ТКС РДТ ТКС РД1 ТКС РДТ ТКС

I II I II I II I II

Т 0,37 -0,42 0,43 -0,28 0,49 -0,22 0,27 -0,46 0,18 -0,37 0,00 0,02

Р 0,51 0,16 0,37 0,15 -0,08 0,15 0,55* -0,5 -0,06 -0,22 -0,32 -0,22

Р. sibirica-СУ (привой) Р. sylvestris (подвой)

РД_ ПД РД ПД

РДТ ТКС РДТ ТКС РДТ ТКС РДТ ТКС

I II I II I II I II

Т 0,53 0,37 0,61* -0,0 0,66 -0,02 -0,07 -0,67 -0,36 -0,12 -0,33 0,25

Р 0,43 0,3 0,3 -0,02 0,26 -0,09 0,32 0,48 0,32 0,05 0,57* -0,53

Р. сетЬга (привой) Р. sylvestris (подвой)

РД . ПД РД_ ПД

РДТ ТКС _ РДТ _ ТКС РДТ ТКС РДТ ТКС

I II I II I II I II

Т 0,05 -0,85 -0,14 -0,1 -0,23 -0,22 -0,35 -0,26 0,28 -0,27 0,34 -0,24

Р 0,66 0,31 0,54* 0,38 0,26 0,35 0,64 -0,02 0,01 -0,29 -0,07 -0,45

Анатомические характеристики ранней древесины подвоев Р. sylvestris сохраняют климатическую реакцию исходных (непривитых) деревьев (хоть и частично, в отдельных случаях демонстрируя слабый климатический отклик тех или иных характеристик). У характеристик ранней древесины привоев Р. sibirica не выявляется статистически достоверной связи с климатическими факторами, свойственной характеристикам ксилемы данного вида деревьев (коэффициенты корреляции показывают ослабление связи). Характеристики поздней древесины привоев Р. sibirica-CY коррелируют с температурой первой половины сезона роста, тогда как у привоев Р. sibirica-EM отмечается слабая корреляция. У привоев Р. cembra выявляются видоспецифичные реакции, не свойственные привоям Р. sibirica. Таким образом, наблюдаются изменения в реакции характеристик древесины на внешние условия как у привоя, так и подвоя, особенно выраженные у первого.

Несмотря на то, что радиальный прирост положительно коррелирует с температурой воздуха апреля, температура данного периода не влияет на радиальные размеры. Однако толщина и площадь клеточной стенки ранней древесины контрольных деревьев сосны обыкновенной и подвоев (за исключением Р. cembra) положительно коррелирует с температурой апреля. То же самое наблюдается и у привоев Р. cembra.

Особенности формирования ксилемы в климатически контрастные годы.

Проведено сравнение кривых изменчивости анатомических характеристик, формируемых в климатически контрастные годы. Среди всех лет наиболее контрастирующими между собой в первой половине вегетационного сезона являются 2003 и 2007, для которых характерна сумма осадков 64 мм и 162 мм, а средняя температура 18°С и 14,8°С соответственно.

Влияние неблагоприятных условий сезона роста в большей степени отражается на клеточной стенке непривитых (контрольных) деревьев, как Р. sibirica, так и Р. sylvestris. В сухой и жаркий период (первая половина сезона вегетации) 2003 года у контрольных деревьев Р. sibirica и Р. sylvestris клеточная стенка в ранней древесине имеет меньшую толщину, чем во влажном 2007-м году (рис. 4). Отличие является значимым при р<0.05. У привоев Р. sibirica и Р. cembra и подвоев всех прививок размеры клеточной стенки, формируемой в климатически контрастные годы, сопоставимы.

У контрольных деревьев Р. sylvestris в неблагоприятных условиях 2003 года радиальные размеры трахеид первой трети годичного кольца уменьшаются, в то же время трахеиды подвоев имеют одинаковые размеры в условиях климатически контрастных лет. Это может быть связано с ослаблением чувствительности привоев и подвоев к влиянию неблагоприятных внешних условий.

Р. sibirica

S50

и

240 £30

S"20 10 0

16

21

Привой

Контроль

—О— РДТ_2003 РДТ_2007 —ТКС_2003 \C_2007

26

Р. sylvestris

Прививки

Р. sibirica-ЕМ

Подвой

■ 7

■ 6 | - S 2

2Н

8 60 8

7 50 7

6 40 В*! 6

5 30 ......V 5

4 - 4

3 20 - 3

2 10 2

1 0 І 1 1 І 4 І ЦІ і 1 1 1 І II , 1 . ■ f 1 ( , 1 ,

5 и S

и «

н

16 21

26

11 16 21 26

Л sibirica-CУ

Привой

Подвой

21

26

16

26

/>. cembra

Привой

Подвой

16

21

26

11

16

21

26

Стандартизированное число клеток

7 g

6 В 5 S 4 U

Рис. 4. Кривые изменчивости анатомических характеристик, сформированных в климатически контрастные годы. РДТ — радиальный диаметр трахеид, ТКС -толщина клеточной стенки.

Глава 8. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

У каждого вида сосен наступление вегетации и, следовательно, начало закладки элементов ксилемы в условиях Красноярской лесостепи происходит поочередно с разницей в 10-20 дней. Первой в фазу вегетации вступает Р. sylvestris и это время приходится на конец мая - начало июня, затем со второй декады июня - Р. sibirica и на декаду позже Р. cembra (Кузнецова, 2007). Можно предположить, что наступление периода роста подвоев сосны обыкновенной, соединенных с привоями кедровых сосен, задерживается, поскольку, лишенный стволовой апикальной меристемы, подвой не получает гормональных стимуляторов роста в тот период, когда «включается» программа вступления в фазу вегетации. В то время как контрольные деревья Р. sylvestris вступают в фазу активного деления камбиальных производных, подвои того же вида еще находятся в состоянии покоя. Вследствие более позднего вступления подвоев сосны в фазу роста наблюдается уменьшение (относительно контрольных деревьев) числа трахеид, а также их диаметра и толщины стенки в связи с ограничением времени, требуемого для достижения максимальных размеров и аккумулирования предельного количества органического вещества клеточной стенкой. Расхождение в датах инициации формирования ксилемы привоев Р. cembra и Р. sibirica-EM так же, как и их видовая принадлежность, не отражается на толщине клеточной стенки подвоев. Вероятно, это связано с тем, что, получая сигнал к запуску формирования вторичной клеточной стенки, трахеиды подвоев, еще не достигнув своего окончательного размера, лишены возможности продолжать рост растяжением, тогда как утолщение клеточной стенки не ограничено такими узкими временными рамками.

Контрастирующие данные по размерам трахеид сосны обыкновенной -подвоя для Р. sibirica-CY (где часть клеток ранней и поздней древесины достигают генетически детерминированного размера), связаны с тем, что северные климатипы Р. sibirica относительно других происхождений раньше вступают в фазу вегетации в данных условиях произрастания [Кузнецова, 2007]. Таким образом, сроки начала закладки ксилемы у подвоя сосны обыкновенной прививок Р. sibirica-СУ и контрольных деревьев Р. sylvestris могут совпадать. Однако это обстоятельство не отражается на формировании клеточной стенки. Увеличение размеров некоторых трахеид у подвоев данных прививок, очевидно, отражает влияние со стороны привоя, который находится в условиях более благоприятных по температурному режиму по сравнению с местом его естественного произрастания.

Наблюдаемые изменения в структуре годичных колец привоев и подвоев могут быть объяснены нарушением баланса основных гормонов роста. При сбалансированных концентрациях гормонов происходит продукция типичных для Р. sibirica и Р. sylvestris элементов ксилемы, которые демонстрируют непривитые (контрольные) деревья. Поскольку синтез ауксина локализован преимущественно в апексе побега, а цитокинина - корневой меристеме, то не исключено, что поток данных гормонов через зону срастания может затрудняться. В связи с затруднением восходящего потока (по ксилеме) цитокинина и нисходящего (по флоэме) ауксина выше зоны срастания может иметь место дисбаланс гормонов при преобладании ауксина, а ниже - дисбаланс при избытке цитокинина. Увеличение радиального прироста, радиального диаметра трахеид и площади люмена у привоев Р. sibirica-EM и -СУ может указывать на накопление в тканях привоя ауксина,

который стимулирует растяжение и деление клеток [Christian et al., 2006; Perrot-Rechenmann, 2010]. Основываясь на данных, что контроль скорости клеточной дифференцировки осуществляется цитокинином (Ioio et al., 2007), уменьшение размера трахеид и площади люмена (вследствие ускоренной дифференцировки) в годичных кольцах подвоев прививок P. sibirica-EM и P. cembra может быть результатом избытка цитокинина.

Площадь и толщина клеточной стенки как индикатор аккумулирования органических веществ у всех подвоев ниже, а привоев - выше свойственной исходным видам деревьев. Это также может указывать на несбалансированное распределение ассимилятов, перемещающихся по флоэме, преграду которому устанавливает зона срастания. Это подтверждается и работой Ciobotari et al. (2009), где на фруктовых деревьях было показано, что зона срастания привоя и подвоя служит барьером для потока основных элементов метаболизма (азота и углерода).

Как показывают результаты, влияние на привои кедровых сосен и подвои сосны обыкновенной неблагоприятных климатических условий ослабляется. Это может быть связано с ослаблением реакции подвоя на температуру воздуха и привоев на осадки, которая свойственна исходным деревьям. Климатическая реакция трахеид ранней древесины привоев P. sibirica выражена слабее, чем у «исходных» (непривитых) деревьев. Возможно, взаимодействие подвоя с привоем либо изменяет чувствительность, либо вызывает устойчивость к неблагоприятным внешним условиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ роста прививок сосны кедровой сибирской {Р. sibirica), произрастающих в условиях Красноярской лесостепи, показал, что прививание ускоряет рост, как привоя, так и подвоя по сравнению с контрольными (непривитыми) деревьями соответствующих видов. При пониженной скорости роста привоев сосны кедровой европейской (Р. cembra) замедляется и рост подвоев сосны обыкновенной.

Привой превосходит подвой в радиальном приросте, что приводит к гибели привитых деревьев. Соответствие в радиальном приросте между подвоями Р. sylvestris и привоями Р. sibirica сургутского происхождения указывает на наиболее согласованный совместный рост данных компонентов прививки и хорошую совместимость. В исследуемом районе прививки, выполненные черенками деревьев данного происхождения, будут наиболее долговечными и перспективными в плане создания прививочных плантаций.

Сохранение сезонной динамики анатомических характеристик, свойственной исходным видам деревьев привоя и подвоя, указывает на стабильность генетического контроля дифференциации ксилемы. Таким образом, генотип привоя не влияет на анатомическую структуру подвоя и наоборот. Наблюдаемые изменения в размерах трахеид, их продукции и толщине клеточной стенки (увеличение у привоев и уменьшение у подвоев относительно контрольных деревьев) скорее представляют собой результат интеграции факторов негенетической природы. Эти изменения отчасти могут быть обусловлены несоответствием в фенологических фазах между Р. sibirica и Р. sylvestris. Поэтому при выборе подвоя наиболее подходящим будет тот, у которого даты начала и

окончания вегетации совпадают с таковыми у привоя. Также различия между привитыми и контрольными деревьями в размерах трахеид и клеточной стенки могут свидетельствовать о том, что зона срастания является преградой для транспорта основных фитогормонов и метаболитов.

Климатическая реакция радиального прироста подвоев сосны обыкновенной аналогична реакции непривитых деревьев. В отличие от подвоев, привои имеют более сложную реакцию на климатические факторы. Она обусловлена климатической реакцией исходного климатипа и реакцией подвоя. Чувствительность анатомических характеристик к климатическим условиям у привоя и подвоя уменьшается по сравнению с исходными видами, т.е. степень внешнего контроля дифференциации ксилемы у привитых деревьев уменьшается.

ВЫВОДЫ

1. Анатомические характеристики привоев кедровых сосен и подвоя сосны обыкновенной сохраняют внутригодичную изменчивость, свойственную исходным видам деревьев, что указывает на стабильность генетического контроля дифференциации ксилемы.

2. В годичных кольцах Р. sylvestris, являющейся подвоем для Р. cembra и Р. sibirica уменьшается толщина и площадь клеточной стенки. Радиальный диаметр трахеид и площадь люмена уменьшаются у подвоев прививок Р. cembra и Р. sibirica местного емельяновского климатипа и увеличиваются у подвоев прививок Р. sibirica сургутского климатипа у трахеид отдельных позиций ранней древесины.

3. Изменения, происходящие на анатомическом уровне в годичных кольцах привоев Р. sibirica, соединенных с подвоями Р. sylvestris, связаны с увеличением продукции трахеид, их радиального диаметра, площади люмена, площади и толщины клеточной стенки.

4. Ширина годичного кольца и анатомические характеристики имеют разную климатическую реакцию, как у привитых деревьев, так и у непривитых.

5. Анатомические характеристики и ширина годичного кольца привоев и подвоев сохраняют климатическую реакцию, свойственную их виду. Однако чувствительность анатомических характеристик к климатическим изменениям у привоя Р. sibirica и подвоя Р. sylvestris уменьшается по сравнению с непривитыми деревьями.

6. Наилучшая совместимость с подвоем Р. sylvestris наблюдается у привоев Р. sibirica климатипа Сургут, что указывает на перспективность данных компонентов прививки при создании прививочных плантаций.

7. Возможной причиной изменений размеров анатомических характеристик у привоя и подвоя может являться механическая преграда потоку гормонов роста и метаболитов, которую создает зона срастания. В перспективе для проверки данной гипотезы необходимо посмотреть анатомию зоны срастания.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

1. Кузнецова Г.В. Прививки кедровых сосен как объект исследований / Г.В. Кузнецова, Ю.А. Дарикова, Ю.В. Савва, Е.А. Ваганов, A.M. Грачев // Хвойные бореальной зоны. -2010. - Т. XXVII, № 3 - 4. - С. 312-316.

2. Darikova J.A. Grafts of woody plants and the problem of incompatibility between scion and rootstock (a review) / J.A. Darikova, Yu.V. Savva, E.A. Vaganov, A.M. Grachev, G.V. Kuznetsova // Journal of Siberian Federal University. Biology. -2011. - T.4, №1. - C. 54-63.

3. Дарикова Ю.А. Радиальный рост прививок кедровых сосен (Pinaceae) в условиях красноярской лесостепи / Ю.А. Дарикова, Е.А. Ваганов, Г.В. Кузнецова, A.M. Грачев // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. - 2013. -Т. 6, №1. - С. 3-17.

Публикации в материалах конференций

4. Дарикова Ю.А. Анализ роста гетеропластических прививок кедровых сосен в связи с влиянием климатических факторов / Ю.А. Дарикова, Г.В. Кузнецова, Е.А. Ваганов, A.M. Грачев // Биологические исследования в Сибири: Тезисы Всероссийской научной конференции, посвященной 50-летию организации СИФИБР СО РАН, Иркутск 12-14 сентября, 2011 г. - С. 24.

5. Дарикова Ю.А. Сравнительный анализ радиального прироста прививок кедровых сосен /Ю.А. Дарикова, A.M. Грачев // Материалы 2-й Всероссийской с международным участием школы-конференции молодых ученых. Екатеринбург 1-5 октября, 2012 г. - С. 59.

6. Дарикова Ю.А. Анализ анатомических характеристик годичных колец прививок кедровых сосен / Ю.А. Дарикова, A.M. Грачев // Тезисы докладов II (X) Международной Ботанической Конференции молодых ученых в Санкт-Петербурге 11-16 ноября, 2012г. -С.46.

Подписано в печать 07.05.2013. Печать плоская. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 1911

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел./факс: 8(391)206-26-67, 206-26-49 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Дарикова, Юлия Александровна, Красноярск

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Дарикова Юлия Александровна

АНАТОМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ У ГЕТЕРОПЛАСТИЧЕСКИХ ПРИВИВОК КЕДРОВЫХ СОСЕН

03.02.01 - Ботаника

Рукопись диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор биологических наук, академик РАН Е.А. Ваганов

Красноярск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Проблема несовместимости привоя и подвоя........................................8

1.2 Влияние подвоя на привой.............................................................13

1.3 Механизмы взаимодействия привоя с подвоем...................................16

1.4 Прививки в практическом хозяйствовании.........................................20

1.5 Прививки кедровых сосен: история вопроса.......................................23

1.5.1 Создание прививочной плантации и современное состояние прививок...........................................................................................23

1.5.2 Прививки как объект фундаментальных исследований...........................24

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Объект исследования.......................................................................27

2.2 Краткая характеристика районов происхождения кедровых сосен...............28

2.3 Измерение ширины годичных колец..................................................................30

2.4 Методика получения срезов древесины и измерения анатомических характеристик......................................................................................31

2.5 Математическая и статистическая обработка данных...............................34

Глава 3. АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ РАДИАЛЬНОГО ПРИРОСТА ПРИВОЯ И ПОДВОЯ

3.1 Особенности радиального роста привоя и подвоя.....................................38

3.2 Климатическая составляющая в оценке радиального прироста компонентов прививок...........................................................................................44

3.3 Выводы по главе..............................................................................46

Глава 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАДИАЛЬНОГО ДИАМЕТРА И КОЛИЧЕСТВА ТРАХЕИД

4.1 Влияние привоя на формирование трахеид подвоя..................................47

4.2 Влияние подвоя на формирование трахеид привоя..................................51

4.3 Соотношение радиального диаметра трахеид у компонентов прививки.......54

4.3 Выводы по главе.............................................................................56

Глава 5. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТОЛЩИНЫ КЛЕТОЧНОЙ СТЕНКИ

5.1 Влияние привоя на формирование клеточной стенки подвоя......................57

5.2 Влияние подвоя на формирование клеточной стенки привоя......................60

5.3 Соотношение толщины клеточной стенки у компонентов прививки.............63

5.4 Выводы по главе.............................................................................65

Глава 6. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПЛОЩАДИ ЛЮМЕНА И ПЛОЩАДИ КЛЕТОЧНОЙ

СТЕШИ У ПРИВОЕВ И ПОДВОЕВ................................................................66

Выводы по главе...................................................................................69

Глава 7. ВЛИЯНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СЕЗОНА РОСТА НА АНАТОМИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ ПРИВОЯ И ПОДВОЯ

7.1 Корреляция анатомических характеристик с климатическими факторами...........................................................................................70

7.2 Особенности формирования ксилемы в климатически контрастные годы..................................................................................................74

7.3 Выводы по главе..............................................................................80

ГЛАВА 8. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ...............................................81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................89

ВЫВОДЫ...........................................................................................91

Список сокращений..............................................................................92

Список литературы................................................................................93

Приложение......................................................................................104

ВВЕДЕНИЕ

Кедровые сосны являются источником ценной древесины, их семена имеют высокую пищевую ценность, а смола - исходный «материал» для получения различных продуктов (Бех и др., 2009, Титов, 2012). Медленный рост и позднее вступление в фазу семеношения предполагает поиск подходов к преодолению этих недостатков. Одним из путей, способствующих повышению стволовой и семенной продуктивности, а также сокращению ювенильной фазы, является прививание на подвои близкородственных видов. Кроме того, прививание в садоводческих работах и лесном хозяйстве позволяет проводить отбор в пользу высококачественных и экономически рентабельных экземпляров и гарантирует передачу желаемых признаков и свойств от родительской особи потомству.

Работы, проводимые на прививках кедровых сосен, включали изучение вегетативного роста, биологии цветения, семеношения, особенностей индивидуальной и географической изменчивости роста (Кузнецова, 2003). Однако взаимодействие компонентов прививок на анатомическом уровне детально не исследовалось. Прививка как организм, интегрирующий два различных генома, представляет интерес в качестве объекта для исследования механизмов отдаленной регуляции, играющей большую роль, как в развитии растений, так и в анализе влияния стрессовых ситуаций на растения. Отражение в структуре древесины взаимодействия двух генетически разнородных организмов (привоя кедра и подвоя сосны) поможет внести вклад в понимание механизмов, управляющих процессом дифференциации ксилемы.

Получено достаточно много информации о влиянии подвоя на вегетативный рост привоя и такие его характеристики как продуктивность, продолжительность ювенильной фазы, устойчивость к патогенам и стрессовым факторам и др. (Hosomi et al., 2002; Sanou et al., 2004; Giorgi et al., 2005; Hibbert-Frey et al., 2006; Ahmed et al., 2006; Mitani et al., 2008; Cantin et al., 2010; Gandev, 2009; Ко et al., 2009; Franzon et al., 2010; Bellefontaine et al., 2010; Pio et al., 2010; Souza et al., 2010), однако, механизмы, опосредующие это влияние в настоящее время не до

конца изучены. Согласно имеющимся данным, в основе взаимодействия привоя с подвоем могут лежать механизмы различного характера, и взаимовлияние компонентов прививки может быть опосредовано как за счет изменения активности генов (Yuan et al., 2011; Jensen et al., 2003; 2010), так и вовлекать гормональный контроль, в основе которого лежит воздействие на количество и соотношение стимуляторов и ингибиторов роста, перемещающихся в базипетальном и акропетальном направлениях от места их синтеза (Lockard and Schneider, 1981; Jones, 1986; Albacete et al., 2008; Bangerth, 1994). Анализ анатомической структуры годичных колец привоя и подвоя, отражающей их взаимодействие, позволит выявить другие возможные механизмы, ответственные как за совместимость компонентов прививки, так и за способность подвоя активизировать рост привоя.

Цель исследования:

Провести анализ радиального прироста, а также анатомических характеристик годичных колец прививок кедровых сосен и оценить взаимовлияние привоя и подвоя на процесс дифференциации ксилемы через анатомические характеристики.

Задачи исследования:

1. Провести сравнительный анализ данных по ширине годичных колец и оценку климатического отклика привоя и подвоя у прививок Pinus s ib ir ic a Du Tour и Pinus cembra L.

2. Оценить влияние привоя на радиальный диаметр трахеид, площадь люмена, толщину и площадь клеточной стенки подвоя.

3. Оценить влияние подвоя на те же характеристики привоя.

4. Сравнить климатическую реакцию анатомических характеристик компонентов прививок и непривитых деревьев.

Теоретическая и практическая значимость

Результаты работы выявили ранее не описанные изменения, происходящие в структуре годичных колец у привитых деревьев данных видов. Сопоставление измерений радиального прироста подвоя и привоя и структуры их годичных

колец позволяет дать рекомендации использования различных климатипов кедровых сосен в качестве компонентов прививки. Полученные результаты выявляют различия в радиальном приросте привоя и подвоя и изменения в их анатомической структуре, связанные с расхождением в фенологических датах компонентов гетеропластической прививки. Это позволяет использовать данную информацию в лесохозяйственных целях при создании прививочных плантаций хвойных видов.

Научная новизна

Впервые проведен анализ анатомической структуры годичных колец кедровых сосен (Р. йгЫНса. и Р. сетЬга), привитых на сосну обыкновенную и произрастающих в условиях Красноярского края. Также в работе применен новый подход для анализа климатического отклика привитых деревьев, который позволил выявить различия между привоем и подвоем в реакции на температуру воздуха. Впервые проведена оценка влияния видовой принадлежности привоя на радиальный прирост и анатомические характеристики подвоя.

Положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие привоя с подвоем не изменяет механизмы, ответственные за дифференциацию ксилемы.

2. Взаимодействие привоя и подвоя уменьшает чувствительность анатомических характеристик к климатическим изменениям.

Достоверность результатов

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных теоретических и экспериментальных методов, корректной обработкой полученных данных и большим числом измерений.

Апробация результатов работы

Результаты работы были представлены на 2й Всероссийской с международным участием школе-конференции молодых ученых в Екатеринбурге 1-5 октября, 2012 г и П(Х) Международной ботанической конференции молодых ученых в Санкт-Петербурге 11-16 ноября, 2012. Также результаты обсуждались на семинаре в лаборатории дендрохронологии Института экологии растений и

животных УрО РАН (Екатеринбург) и на семинаре лабораторий структуры годичных колец и лесной генетики и селекции в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (Красноярск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, 3 из которых в журналах, включенных в список ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 108 страниц, в том числе 17 таблиц, 20 рисунков, 11 страниц списка литературы, включающего 35 отечественных и 79 иностранных источников.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Проблема несовместимости привоя и подвоя

В зависимости от вида подвоя прививки дифференцируют на гомопластические и гетеропластические. Компонентами гомопластических прививок являются представители одного и того же вида, в то время как гетеропластические представляют собой союз двух различных видов, чаще всего близкородственных, относящихся к одному роду. Благополучному росту привитых деревьев иногда препятствует несовместимость между подвоем и привоем. Это более часто наблюдается при гетеропластических прививках по сравнению с гомопластическими, а также имеет прямое отношение к степени родства подвоя и привоя (Яковлева, 1967, 1974, 1975).

Несовместимость между подвоем и привоем часто выражена в нарушении васкулярного контакта (Pina and Errea, 2005; Pina et al., 2009), который, с одной стороны, приводит к затрудненной доставке воды и минеральных веществ в ткани привоя по водопроводящим элементам ксилемы («восходящий» ток), а с другой, становится преградой на пути поступления продуктов фотосинтеза от привоя к подвою по элементам флоэмы («нисходящий» ток). Механизмы, вовлеченные в формирование структуры с нарушенной целостностью, в частности, факторы обуславливающие неспособность к установлению полноценного васкулярного контакта между привоем и подвоем, остаются недостаточно изученными (Pina and Errea, 2005). Известно лишь, что установление контакта и прочная когезия между тканями привоя и подвоя в зоне срастания определяется способностью формировать плазмодесмы - цитоплазматические мостики, через которые осуществляется клеточная коммуникация, происходит обмен метаболитами и ионами между соседними клетками (Pina and Errea, 2005; Pina et al., 2009). В месте контакта каллусных клеток растворяется клеточная стенка, образуются отверстия, через которые плазмотические мембраны соседних клеток вступают в контакт, формируя плазмодесмы (Pina and Errea, 2005). Формирование этих структур требует координации со стороны обоих компонентов прививки. В зоне срастания

несовместимых гетеропластических прививок наблюдались прерывистые плазмодесмы (Pina and Errea, 2005). Отсутствие таких соединительных симпластических «каналов» будет нарушать поступление важных веществ, играющих роль не только в питании, но и в регуляции роста, например, белков, РНК - молекул, несущих информационную функцию или осуществляющих отдаленную регуляцию.

При прививании в ответ на ранение формируется каллусная ткань, способствующая быстрому заживлению поврежденного участка. В случае прививки между совместимыми комбинациями каллус быстро дифференцируется в камбий и в проводящую ткань, а при отсутствии совместимости, происходит неполная дифференциация, при которой наряду с дифференцированными клетками васкулярной ткани остаются существовать паренхимные клетки. Так, в несовместимых комбинациях груша/айва наблюдалось наличие слоя некротических клеток, нарушающего васкулярную целостность древесины в зоне контакта, и имелись перидермальные кольца и включения нелигнифицированных клеток в области контакта между привоем и подвоем (Ermel et al., 1999). Отсутствие васкулярной связи у прививок не всегда препятствует цветению и развитию семян привоя, а всего лишь свидетельсвует о существовании неваскулярной связи между привоем и подвоем, вероятно, осуществляемой паренхимными клетками (Flaishman et al., 2008). Несмотря на то, что наличие перидермальных колец также характерно и для зоны контакта совместимых комбинаций привой/подвой, поскольку это является типичным ответом на механическое повреждение на ранней стадии развития прививки, у несовместимых комбинаций их число более высокое. Хотя неполноценная структура не замедляет рост дерева, она вызывает механическую слабость в зоне контакта, и может привести к его разрыву спустя несколько лет после прививания (Ermel et al., 1999).

Иногда даже установление прочного контакта между компонентами прививки не является показателем совместимости. Спустя десятки лет после прививания проявляются последствия несовместимости, и прививки со временем

прекращают свое существование (Кузнецова, 2001). В этом случае анатомо-физиологическая несовместимость компонентов прививки обусловлена различным темпом радиального роста, вследствие которого происходит разрыв проводящих тканей и камбия, что визуально проявляется в нарушении целостности коры и древесины в месте срастания компонентов прививки (Кузнецова и Савва, 2004). Механизмы, участвующие в регуляции роста, определяются генотипом каждого исходного растения.

Различия в радиальном росте могут быть вызваны более ранней остановкой камбиальной активности одного из компонентов прививки, что, например, было обнаружено у несовместимых с привоями персика подвоев сливы (Moing and Carde, 1988). К числу возможных событий, имеющих отношение к несовместимости можно отнести и особенности распределения органических веществ между привоем и подвоем, например, растворимых белков и свободных аминокислот, при которых в несовместимых привоях Prunus pérsica к концу третьего месяца после установления прививки концентрации растворенных белков и свободных аминокислот (аспарагин, глутамат, аспартат) понижаются (Moreno et.al., 1994), а растворимые сахара и крахмал накапливаются (Moing and Gaudillere, 1992) по сравнению с совместимыми. Распределение меченого углерода и азота между корнями и побегами также имеет различную картину у разных комбинаций привоев персика и подвоев айвы: с 78 по 81 день транспорт углерода к корням затрудняется, а азот перестает ассимилироваться спустя 78 дней после прививания у несовместимых прививок по сравнению с совместимыми (Moing and Gaudillere, 1992). Таким образом, в случае несовместимости подвой испытывает нехватку тех веществ, источником которых служит фотосинтетический аппарат привоя, а привой - испытывает азотное голодание вследствие неполноценной доставки веществ по тому пути, который проложен через подвой.

В работах на привоях груши и подвоях айвы было обнаружено, что для совместимых и полусовместимых комбинаций, в отличие от несовместимых, характерно наличие специфического полипептида (белка 63 kD) (Guien et.al.,

2005) и изоферментов пероксидазы (Hossein et.al., 2008), которые также могут служить маркерами несовместимости. При этом полусовместимые комбинации демонстрировали пониженные концентрации белка 63 kD (Guien et.al., 2005). В некоторых случаях у несовместимых комбинаций накапливался крахмал в большей концентрации выше зоны срастания, однако, в одной из работ по прививанию вишни и черешни (Rem and Rabert, 1987) не наблюдалось накопления этого соединения при других видимых признаках несовместимости.

Некоторые работы, проведенные на хвойных видах деревьев, показывают, что к несовместимости могут приводить физиологические и фенологические особенности, свойственные каждому отдельному виду (Авров, 1977, 1996; Дроздов, 1998).

Некоторые исследования показали, что совместимость компонентов прививки обеспечивается такими факторами и процессами, как наличием регуляторов роста,