Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экология и репродуктивные особенности редких орхидных Урала

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Экология и репродуктивные особенности редких орхидных Урала"

оп

'С!' 3 На правах рукописи

УДК 58:581.5:582.594.2

Куликов Павел Владимирович

ЭКОЛОГИЯ И РЕПРОДУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕДКИХ ОРХИДНЫХ УРАЛА

03.00.05 - Ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Екатеринбург - 1995

Работа выполнена в лаборатории экспериментальной экологии и акклиматизации растений Инс~итута леса УрО РАН

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор С.А.Мамаев

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

В.А.Мухин

доктор биологических наук, профессор Е.Л.Любарский

Ведущая организация: Институт биологии Уфимского научного

центра РАН

Защита диссертации состоится "_£_" 1995' года в /^ ча-

сов на заседании диссертационного совета Д.002.05.01 в Институте экологии растений и животных УрО РАН по адресу: 620219. г.Екатеринбург, ГСП-511. ул. 8 Марта, 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и.животных УрО РАН.

г

Автореферат разослан 1995 г.

* /

Ученый секретарь диссертационного совета.

кандидат биологических наук М.Г.Нифонтова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вилы сем. Orchidaceae принадлежат к числу растений, наиболее уязвимых при антропогенном воздействии на фито-ценозы. В России внесено в Красную книгу (1988) около трети видов орхидных, представленных во флоре страны (44 вида). Для предотвращения необратимого оскудения флоры необходимы срочные и эффективные меры по охране исчезающих видов орхидных, разработка которых требует разностороннего изучения их эколого-биологических особенностей. Особенно важное значение имеют исследование процессов воспроизведения и разработка эффективных методов размножения в культуре, что сделает возможными активные меры по восстановлению численности редких орхидных в природных местообитаниях и использование их ценных свойств. Многие из них высокодекоративни. представители трибы Ог-chideae применяются в научной.а виды p. Cypripedium и некоторые другие - в народной медицине (Клер, 1878: Осетров. 1983: Cash, 1993).

Многие особенности биологии орхидных умеренной зоны, прежде всего связанные с прорастанием семян и развитием проростков, до сих пор крайне недостаточно исследованы. Имеющиеся сведения о распространении многих видов орхиднух ::а Урале нуждаются в уточнении, а состояние природных популяций их редких представителей требует изучения. Все это делает актуальными исследование распространения и биологических особенностей редких орхидных Урала и разработку методов их размножения.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось исследование экологии,биологических особенностей и процессов возобновления редких орхидных Урала в природных местообитаниях и разработка методов их размножения in vitro. Исходя из этого, были определены задачи исследования: 1. Оценка на основе хорологических данных и ботанико-географического анализа степени редкости и потреб-

1

ности в охране видов орхидных Урала. 2. Изучение распространения, фитоценотической приуроченности, численности, возрастной структуры и возобновления природных популяций редких орхидных Урала. 3. Исследование прорастания семян и развития проростков в асимбиотической культуре. 4. Изучение возможностей и способов клонального микроразмножения орхидных Урала. 5. Исследование специфичности микоризного симбиоза и особенностей развития орхидных в симбиотической культуре.

Научная новизна работы. Собрана, и обобщена хорологическая информация по 24 видал орхидных, являюсдамся редкими и исчезающими для всего уральского региона. Исследованы в условиях Урала эколого-фи-тоценотическая приуроченность, возрастная структура, особенности семенного и вегетативного возобновления популяций 8 редких видов орхидных. Обнаружены два ранее не приводившихся для Урала вида (Ophrys insectifera и Dactylorhiza ochroleuca) и ряд новых местонахождений других редких видов. Описана ранее не отмечавшаяся для y.i-uia группа ботанико-географических реликтов цьнтральноевропейско-го происхождения, связанная с флористическим комплексом известковых схенусовых болот Южного Предуралья. Подтверждено гибридное происхождение таксона Cypripedium ventricosum Sur. Установлены распределение по систематическим группам орхидных Урала наличия покоя семян и его связь с особенностями структуры семян. Определены оптимальные для посева In vitro стадии созревания семян у 6 видов. Исследовано влияние экзогенных ауксина и цитокинина на прорастание незрелых семян и развитие проростков, а также регенерацию протокормов Cypripe-dium calceolus и С. macranthon. Определены особенности морфогенеза проростков и отклонения в ходе послесеменного развития, возникающие в культуре In vitro у представителей разных систематических групп орхидных. Впервые разработан метод клонального микроразмножения С. calceolus и С. macranthon в культуре органов взрослых растений

(культура завязей). Установлены степень симбиотической специфичности у ряда видов с легкопрорастающими семенами и отсутствие стимуляции эндофитными грибами прорастания семян, обладающих глубоким покоем.

Практическое значение работы. Результаты хорологического изучения 24 исчезающих видов орхидных могут использоваться при планировании дальнейшего развития сети охраняемых природных территорий Урала. Полученные сведения по экологии и биологин орхидных Урала послужат основой для разработки мер охраны их природных местообитаний и способов их интродукции. Разработанные метода семенного и микроклонального размножения могут применяться для получения сеянцев и растений-регенерантов редких орхидных в целях введения их в культуру и реинтродукции.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференции "Экологические системы Урала: изучение, охрана, эксплуатация" (Свердловск. 1987). молодежной научной конференции "Проблемы рационального использования,, воспроизводства и экологического иониторинга лесов" (Свердловск. 1990). III (1990) и IV (1992) конференциях молодых ботаников г.Ленинграда. XI международной симпозиуме "Эмбриология и семенное воспроизведение" (Ленинград. 1990). рабочем совещании по консервации генофонда (Пущино, 1991). международной конференции молодых исследователей "Флора Карпат: актуальные проблемы систематики, флористики и фитогеографии" (Карпатский национальный парк. 1992). международном симпозиуме "Популяции орхидей: изучение и охрана" (г.Рахов. 1994). а также на заседаниях Екатеринбургского отделения Российского ботанического общества и семинарах лаборатории экспериментальной экологии и акклиматизации растений Института леса УрО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения.

3

восьми глав, выводов (основной текст изложен на страницах), списка литературы, включающего 389 наименований, в том числе 182 на иностранных языках, и приложения, состоящего из 27 таблиц и '¿.¿-рисунков.

Глава 1. БИОЛОГИЯ ОРХИДНЫХ УМЕРЕННОЙ ЗОНЫ (ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ И ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ) Своеобразные черты биологии орхидных обусловлены значительной ролью в их жизни биотических взаимодействий, в особенности с симби-отическими грибами и насекомыми-опылителями. Адаптации орхидных к умеренному климату выражаются в образовании подземных запасащих органов различной морфологической природы, наличии покоя семян и длительного подземного развития протокормов. Первые эксперименты по семенному размножению орхидных in vitro проводились в самом начале XX в. (Burgeff. 1936). а разработка асимбиотического метода размножения способствовала широкому распространению культуры тропических орхидей (Knudson. 1922: Arditti. 1967: Черевченко, Кушнир. 1986). Однако, успехи в семенном размножении орхидных умеренной зоны были достигнуты лишь в последнее время (Fast. 1978.1982: Arditti. 1982 и др.). а для многих видов методы размножения in vitro еще не разработаны. Для дальнейшего прогресса в изучении биологии орхидных умеренной зоны необходимо объединение результатов исследования их природных популяций и данных о их развитии in vitro.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ОБЪЕКТОВ ИЗУЧЕНИЯ 2.1. Материал и негоды исследование Объем выполненных работ. Основой дайной работы послужили результаты собственных исследований 1988-1995 гг. в природных местообитаниях орхидных на Среднем и Южном Урале и экспериментов по их размножению in vitro. Для хорологи-

4

ческого исследования редких орхидных Урала использовались также материалы коллекций ряда центральных и местных гербариев, которые наряду с литературными данными и результатами собственных полевых исследований были использованы для составления списков местонахождений и карт распространения на Урале 24 редких видов орхидных.

Численность, плотность, возрастная структура, особенности семенного и вегетативного возобновления ценопогн ляций изучались у 8 редких видов орхидных: Cyprip^'lium calceolus L., С. macranthon Sw., Cephalanthera longifolia (L.) Fritsch, C. rubra (L.) Rich.. Orchis mascula (L.) L., 0. militaris L., Calypso bulbosa (L.) Oakes и Li-paris loeselii (L.) Rich, (всего исследовано 36 ценопопуляций). Возрастные состояния выделялись на основании комплекса биоморфологических признаков (Работнов, 1950) с учетом специфических для орхидных особенностей (Вахрамеева. Денисова, 1982,1988). Возрастная структура и воспроизведение популяций изучались по методикам, применяемым при популяционных исследованиях растений (Работнов. 1950,1964: Уранов. 1975; Ценопопуляции растений. 1976) с учетом специфики исследования исчезающих видов (Заугольнова, 1982).

Приготовлекке к стерилизация питательных сред производились по методикам, разработанным для культивирования растительных тканей (Калинин и др.. 1980) и семенного размножения орхидных (Arditti. 1982; Черевченко. Кушнир, 1986). Семена, полученные путем искусственного опыления, собирались и высевались In vitro с 5-7-дневными интервалами в течение всего периода созревания. Стадии эмбриогенеза в момент посева семян определялись на постоянных препаратах, изготовленных по обычной цитоэмбриологической методике (Паушева, 1988). Способность зрелых семян к прорастанию in vitro была изучена у 31 вида. Пробирки с посеянными семенами содержались в темноте при 20-25°С, а после появления у проростков корней или зачатков надземных листьев переносились на свет.

о

Симбиотические грибы выделялись из корней и протокормов орхидных. собранных в природных биотопах, на среде для выделения грибов по Clements et al. (1986). Полученные микосимбионты (71 изолят из 12 видов орхидных) поддерживались в виде чистых культур путем периодических пересевов. Их симбиотическая активность по отношению к зрелым семенам орхидных определялась на средах для симбиотического культивирования по Clements et al. (1986) или по Beyrle et al. (1985).

Результаты наблюдений и экспериментов обрабатывались с использованием методов математической статистики (Зайцев. 1984).

2.2. Краткая характеристика основных объектов изучения. Приведены имеющиеся в литературе сведения о систематическом положении, происхождении, распространении, фитоценотической приуроченности, сезонном ритме развития, семенном и вегетативном размножении, темпах онтогенеза, микосимбионтах. результатах культивирования и причинах сокращения численности 8 редких видов орхидных, являвшихся сановными объектами изучения.

Глава 3. СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ И БОТАНИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОРХИДНЫХ УРАЛА

3.1. Систематический состав. Во флоре орхидных Урала (37 видов из 22 родов) представлены 5 подсемейств по системе R.L.Dressler (1981). Около половины видов (18 из 9 родов. 48,73) принадлежит к трибе Orchldeae (подсем. Orchidoideae): среди них Gymnadenilnae (13 видов. 35,1%) значительно преобладают над Orchidinae (4 вида. 10,8%). Менее многочисленны представители примитивных корневищных групп - трибы Neottieae (подсем. Orchidoideae) (8 видов, 21.6%) и подсем. Cypripedioideue (3 вида, 8.1%). а также подсем. Spiranthai-■ deae (2 вида. 5,4%). Преимущественно тропические подсем. Epidendro-ideae и Vandoideae представлены небольшим числом вторично-наземных

б

I холомикотрофных видов (соответственно 5 видов. 13,5% и 1 вид. >.755). Систематический состав флоры орхидных Урала указывает как на :е преимущественно европейский характер (преобладание Orchideae). гак и на обедненность за счет выпадения специфических европей-:ко-средиземноморских элементов (низкая доля Orchidinae).

3.2. Ботанико-географический анализ и происхождение флоры орхидных Урала. Ботанико-географический анализ fuopu орхидных Урала гоказал наличие в ее составе 6 типов геоэлемента: голарктического (1 вид. 2.755). евразийского (7 видов. 18,9%), бореального (12 видев. 32,5%), южносибирского (6 видов. 16.2%), европейского (9 видев. 24.3% и 1 примыкающий связующий вид. 2.7%) и горного (1 вид, 1,7%). Сравнение с флорами орхидных других регионов умеренной зоны Евразии показало наибольшее сходство ее с флорами прилегающих участков Восточноевропейской и Западносибирской равнин, а из регио-гов с высоким видовым разнообразием орхидных - с флорой Центральной Европы. По существу флора орхидных Урала представляет собой обеденный вариант среднеевропейской с добавлением немногочисленных видев азиатского происхождения. Ее отличительной чертой по сравнению х флорами прилегающих участков равнин является относитблькс высокая деля европейского типа геоэлемента, в значительной степени имеющего )еликтовый характер.

. 3.3. О реликтовом характере распространения некоторых орхидных ia Урале. 5 европейских видов орхидных, имеющих изолированные фрагменты ареалов на Урале, относятся к 2 ценотическим группам.связанным с широколиственными лесами и известковыми болотами Предуралья.

Хотя Cephalanthera longlfolia большинством исследователей флоры Урала принимался за реликт доледникового (плиоценового) возраста, центр ареала и фитоценотический оптимум этого вида (а также )rchis mascula. имеющего вполне аналогичное распространение) связаны со светлыми ксерофилизированними субсреднземноморскими лесными

ценозами, широкое расселение которых в Восточной Европе происходило в теплые и сухие эпохи межледниковий плейстоцена (Клеопов. 1990). Вероятно, оба этих вида входят в состав субсредиземноморского квер-цетального ценоэлемента. проникшего в Предуралье в период рисс-внпмского межледниковья, а возникновение дизъюнкций их ареалов вызвано валдайским оледенением.

Сообщества известковых болот со БсЬоепия Гегге^1пеиз встречаются в Южном Предуралье (Месягутовская лесостепь) далеко за пределами их основной области распространения и являются в целом реликтовым типом фитоценозов центральноевропейского происхождения. На болотах этого района нами, помимо отмечавшегося ранее Сутпас1е1иа ойогаПззмаа (Мулдашев и др.. 1985). были обнаружены новые для Урала ОрЬгув 1пзес^Гега и Бас1у1огЫга осйго1еиса, восточные границы основных ареалов которых проходят по западным и центральным районам Восточноевропейской равнины. Кроме того, реликтовый характер распространения имеют эдификатор данных фитоценозов БсйоепиБ íeггugi-пеиэ и С1а<11ша шг^сиэ, обнаруженный нами впервые .за последние 60 лет и во второй раз для Урала в целом, а также ряд видов бриофитрв (БсогрШш зсогрШйеБ, Ра1ийе11а гзяиаггоза и др.). Флористический комплекс известковых болот, приуроченный к наиболее влажным эрратическим районам Северной и Центральной Европы и имеющий позднеплей-стоценовый или раннеголоценовый возраст, мог достигнуть Предуралья в одну из влажных эпох голоцена, а последующие иссушение и конти-нентализация климата в суббореальньШ период вызвали исчезновение его на большей части Восточноевропейской равнины и изоляцию уральских фрагментов ареалов входящих в его состав видов.

Глава 4. БИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕДКИХ ОРХИДНЫХ УРАЛА И ВОЗОБНОВЛЕНИЕ ИХ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ Результаты исследований орхидных Урала в природных местообита-

6

ниях и просмотр материалов гербарных коллекций показали, что 24 вида (64.9S5) этого семейства являются редкими и исчезающими на всей территории уральского региона. По категориям редкости, принятым МСОП, редкие орхидные Урала распределяются следующим образом: О (Ех) (исчезнувшие) - неизвестны: 1 (Е) (находящиеся под угрозой исчезновения) - 6; 2 (V) (уязвимые) - 5: 3 (R) (редкие) - 8: 4 (I) (с неопределенным статусом) - 5.

Для более подробного изучения биологических особенностей были выбраны 8 редких видов орхидных, включенных в Красную книгу РСФСР (1988) и разнообразных по систематическому положению, особенностям распространения, ценотическим связям, жизненным формам и происхождению. что позволяет считать их достаточно репрезентативной группой Оля исследования биологии внетропических орхидных.

4.1. Географическое распространение. Приведены сведения о границах распространения на Урале и числе местонахождений, известных то материалам гербарных коллекций и литературным данным, для 8 исследованных видов. В приложении даны карты их распространения на /рале.

4.2. Эколого-Фитоцеиотическая приуроченность. Среди изученных $идов 5 являются лесными мезофитами, 2 связаны в основном с луговыми (Orchis mascula, 0. militaris), а 1 (Liparis loeselii) - исклю-ютельно с болотными фитоценозами. Виды p.Cypripediura на Среднем фале произрастают преимущественно в разреженных сосново-березовых песах. а в Предуралье - в мелколиственных лесах на известняковых •.клонах. Кроме того, они встречаются на низинных болотах, питаемых минерализованными грунтовыми водами (в Предуралье - только С. cal-:eolus, в Зауралье и Западной Сибири - преимущественно С. пасгап-Лоп).Виды p.Cephalanthera в Предуралье обычно произрастают в свет-тих мелколиственных лесах на известняковых склонах (С. rubra пред-тачитает более светлые участки), гораздо реже - под пологом тенис-

тых липняков. Orchis mascula встречается на лесных лугах и полянах, достигая подгольцового пояса (900 м н.у.м. на Южном Урале), изредка в тенистых крупнотравных липняках. 0. militaris произрастает на сырых лугах, лесных полянах и по окраинам низинных болот. Calypso bulbosa встречается исключительно под пологом зеленомошных хвойных лесов (чаще сосновых). Liparis loeselii связан с осоково-гнпновыми болотами, питаемыми минерализованными грунтовыми водами (особенно характерен для известковых болот со Schoenus ferrugineus).

4.3. Сезонный ритм развития. Все исследованные виды, кроме Calypso bulbosa, являются летнезеленымл. Скорость развития их годичных побегов сильно зависит от освещенности и температурного режима местообитаний, а также от погодных условий. Orchis mascula благодаря особенно быстрому развитию годичных побегов, раннему цветению и малой«продолжительности вегетационного периода по сезонному ритму развития приближается к эфемероидам. Calypso bulbosa - зимнезеленый вид, развитие годичных побегов которого протекает после цветения во Вт теой половине лета и полностью завершается осенью, а цветение происходит сразу после таяния снега.

4.4. Численность и возрастная структура ценопопуляиий. Преобладающее большинство исследованных ценопопуляций имеет низкие численность и плотность (максимальная плотность - 15,4 экз./мг - отмечена у Orchis mascula), значительные колебания которых по годам характерны только для Orchis mascula и Liparis loeselii. Ценопопуля-ции относятся к типу нормальных неполночленных вследствие невыра-хенности постгенеративного периода з онтогенезе исследованных видов и отсутствия сенильной возрастной группы, а в ряде ценопопуляций видов pp.Cypripedlum и Cephalanthera - ввиду отсутствия ювенильной группы из-за редкости и нерегулярности семенного возобновления. Возрастные спектры всех видов имеют правосторонний характер со значительным преобладанием взрослых особей, доля которых из года в год

поддерживается на примерно постоянном урозне, но соотношение генеративной и взрослой вегетативной групп сильно колеблется в зависимости от условий в период заложения генеративных побегов. У Orchis mascula отмечены значительные колебания по годам доли ювенильных особей (0-37%). связанные с "волнами возобновления".

Пятилетние наблюдения за маркированными особями Calypso bulbosa позволили определить основные показатели динамики ценопопуляции (Заугольнова, 1985), показавшие ее устойчивый характер: коэффициент вариации числа особей С„=13,835 и числа генеративных особей Cg=12.9%, лабильность баланса Bt =0,67. интенсивность онтогенетического развития (доля особей, изменивших возрастное состояние за год) Id=15,8±1.0%, интенсивность пополнения 1Г=10.1±0,2%. По составленным кривым исчерпания определена длительность периода полужизни ценопопуляции Н=5,27 лет. Прослежена судьба 4 когорт (одновозрастных поколений) на протяжении 5 лет и по кривым их выживания установлено. что вероятность отмирания у С. bulbosa наиболее высока на 1-м году жизни, снижается на 2-3-м году, а на 4-5-м. вновь возрастает.

4.5. Жизненные Формы и вегетативное воспроизведение. Виды pp.Cypripedlum и Cephalanthera - корсткскорйеги!цн"й геофиты с сим-подиальными подземными корневищами, p.Orchis - корнеклубневые геофиты с ежегодно обновляющимися корнеклубиями. Calypso bulbosa и Li-par is loeselii - клубневые гемикриптофиты с запасающими органами в виде туберидиев. Вегетативное размножение у всех видов осуществляется путем ветвления оси подземного побега, происходит в генеративном периоде, не сопровождается значительным омоложением и не приводит к сильному разрастанию, соответствуя, таким образом, типу нормальной партикуляции. Его роль в воспроизведении ценопопуляций изменяется от крайне незначительной у p.Orchis до весьма существенной у Epidendroideae (у Calypso bulbosa оно обеспечивает 36-50% ежегодного прироста ценопопуляции) и преобладающей у Cypripedium и Cepha-

П

lanthera. У видов p. Cephalanthera имеется также более специализированный способ вегетативного размножения адвентивными почками на корнях, сопровождающийся значительным омоложением и играющий существенную роль в самоподдержании их ценопопуляций.

4.6. Семенное воспроизведение. Все исследованные виды (за исключением частично автогамного Liparis loeselii) имеют аллогамные (несмотря на самосовместимость при искусственном самоопылении) ме-литтофильные безнектарные цветки с обманной аттрактацией. Коэффициент плодоцветения обычно составляет 12-45% (у Liparis loeselii до 53%, а у Cypripedium calceolus шкнда до 63%). Значительно ослабленное плодоношение в некоторых ценопопуляциях Cypripedium calceolus (1-55!) и Cephalanthera longifolia (2-5%) на Среднем Урале вызвано, очевидно, недостатком опылителей. Повреждение цветоносов фитофагами (гусеницами совок p.Agrotis и мышевидными грызунами) существенно ограничивает семенное воспроизведение Calypso bulbosa (повреждается 13-35% цветков в период цветения и 30-80% опыленных 1ветков в период созревания семян), а у остальных исследованных видов не оказывает существенного влияния на семенное возобновление.

4.7. Межвидовые гибриды. Cypripedium ventricosum Sw. в большинстве флористических работ (Невский. 1935: Смольянинова. 1976 и др.) принимается за подвид, разновидность или форму С. macranthon. Однако, промежуточный характер его признаков указывает на вероятность его гибридного происхождения (С. calceolus х macranthon). В отличие от обильно плодоносящего С. macranthon. С. ventricosum в природе практически не плодоносит, а при искусственном опылении собственной пыльцой не завязывает плодов или образует минимальное количество семян, хотя нормально плодоносит при опылении пыльцой С. calceolus или С. macranthon. Определение степени фертильности пыльцы этих таксонов показало, что у С. calceolus и С. macranthon она одинаково высока (соответственно 62.8% и 66,6%). а у С. ventricosum

»начителыю ниже и колеблется в широких пределах (2.1-35. ¿SS. в :реднем 13.3%). Фактическая неспособность С. ventrlcosum к семенно-iy воспроизведению вследствие значительной стерильности пыльцы яв-юется убедительным доказательством его гибридного происхождения.

4.8. Общие особенности самоподдержания ценопопуляций редких »рхидных Урала. Несмотря на огромную потенциальную плодовитость орудных, их семенное воспроизведение ограничивается уже на первом iTane недостаточностью опыления или (у Calypso bulbosa) деятель-юстью фитофагов, а на последующих - низкой вероятностью успешного форастания и гибелью проростков. Из-за низкой эффективности семен-юго воспроизведения у многих видов значительна роль вегетативного юзобновления. становящегося у видов с неявнополицентрическим типом ¡иоморфы (Cypripedium, Cephalanthera) преобладающим. Хотя все орудные по типу жизненной стратегии относятся к фитоценотическим па-центам. их различные группы обладают специфическими особенностями ( пределах этого типа.

Глава 5. АСИМБИОТИЧЕСКОЕ СЕМЕННОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ

5.1. Питательные среды. Среда Harvais la (1973.1982) оказалась [ригодной для большинства автотрофных орхидных (положительные результаты получены для 23 видов). В равной степени пригодной для ¡ольшинства видов оказалась среда Norstog (1973). а наиболее широко |рименяемая для.тропических орхидных среда Knudson С давала удов-[етворительные результаты для слабомикотро£ных видов (Gymnadenii-iae. Orchis). Наилучший рост Calypso bulbosa отмечался на бессоле-юй среде КСА (картофельно-сахарозный агар).

5.2. Прорастание зрелых семян. Результаты посевов зрелых семян II вида орхидных Урала на среду Harvais la показали наличие глубо-;ого покоя семян у всех представителей Cypripedioldeae. Heottieae, irchidinae, а также холомикотрофных Eplpoglura и Corallorhlza Легко

13

прорастали Gymnadeniinae (кроме Dactylorhiza Incarnata) и Goodyera repens (Spiranthoideae). а зрелые семена автотрофных Epidendroideae (кроме ilammarbya paludosa) обладали слабовыраженным покоем. В зрелых семзнах Cypripedium, Cephalanthera, Eplpactis зародыш окружен плотно прилегающей к нему темноокрашенной оболочкой (внутренний слой семенной кожуры, производное внутреннего интегумента). у Ог-chideae она развита гораздо слабее, а у Epidendroideae неразличима. Хотя непроницаемость этой оболочки является важной причиной поко; семян (Lücke. 1981). наличие слабовыраженного покоя у семян Epidendroideae и данные о наличии абсцизовой кислоты в семенах орхидных (van Waes. Debergh. 1986; Semenova et al., 1992) указывают иг комбинированный характер их покоя. Выдерживание семян после посева в течение 3 мес. при 2-5°С улучшало прорастание некоторых Gymnadeniinae. но не стимулировало прорастание семян с глубоким покое) (кроме Epipactis palustris). Отбеливание семян гнпохлоритом в сочетании с выдерживанием при 2-5°С после посева несколько улучшалс прорастание зрелых семян Cypripedium (до 1%). Очевидно, для нарушения покоя семян орхидных необходимо сочетание обработок, повышающиз проницаемость их оболочек (отбеливание) и нейтрализующих ингибитор! прорастания (охлаждение или длительное вымачивание).

5.3. Зависимость прорастания семян in vitro от стадии созрева-ШШ- Результаты посевов незрелых семян 6 видов на протяжении всей периода созревания показали, что прорастание in vitro возможно i течение части периода созревания семян - от достижения зародыше! автономности (Батыгина. Васильева, 1983) до сформирования состояни: покоя. У Epidendroideae (Calypso bulbosa, Liparis loeselii) семен. приобретали способность к прорастанию на поздних стадиях созревани (оптимальная для посева стадия соответствует размерам зародыша близким к окончательным), у Orchis mascula и 0. militaris - на до вольно поздних (размеры зародыша около 2/3 окончательных), у Cyprl

lediura - на средних (размеры зародыша около половины окончат ель-1ых). Результаты посева семян Cypripedium calceolus. полученных при »пилении 6 особей во всех 36 возможных комбинациях, показали ответвив однозначной зависимости прорастания in vitro от генетических особенностей родительских растений. Изучение структурных изме-1ений в процессе созревания семян показало, что прорастание in vit-•о возможно, пока клетки интегументов (особенно внутреннего) по крайней мере частично остаются живыми. У Cypripedium calceolus че-)ез 35-40 дней после опыления наблюдались быстрое н полное отмира-гие клеток интегументов и потеря способности к прорастанию in vit-'0. а у С. macranthon клетки интегументов частично оставались живы-и до 50-55 дней после опыления и. соответственно, семена отчасти ¡охраняли способность к прорастанию.

5.4. Влияние экзогенных регуляторов роста на прорастанне семян

!_развитие проростков in vitro. У легкопрорастающих Gyumadeniinae

1ри наличии ауксина и цитокинина в среде доля проросших семян не увеличивалась, но скорость роста проростков многократно возрастала. 1езрелые семена Cypripedium calceolus, С. macranthon и Calypso bullosa при отсутствии регуляторов роста не прорастали или прорастали >чень слабо (менее 1%). Посев незрелых семян С. calceolus и С. шас-'anthon на 16 вариантов среды с кинетином и ПУК (0-2 мг/л) показал, гго прорастание стимулируют оба типа регуляторов роста, но цнтоки-шн в гораздо большей степени. Однако, эффективность семенного эазмножения in vitro сильнее зависит не от доли проросших семян, а )т доли протокормов. способных к быстрому развитию. Последняя была !аиболее высока при наличии обоих типов регуляторов роста, а у С. nacranthon была в целом выше, чем у С. calceolus. При высоких концентрациях регуляторов роста (по 1-2 кг/л) доля прорастающих семян (есколько снижалась, а доля быстрорастущих протокормов возрастала, «> их последующий морфогенез проходил со значительными отклонения-

ми. сильнее выраженными у С. macranthon.

5.5. Послесеменное развитие in vitro. Начальные стадии развития протокорма у исследованных видов протекают подобно огисанным у других видов орхидных (Андронова, 1988): в ходе развития первичного побега и корневой системы выявляются существенные отличия представителей разных групп, связанные с типами их биоморф. Среди исследованных видов только Liparis loeselii и Malaxis monophyllos имеют зеленую окраску протокормов. указывающую на возможность наземного прорастания. Для нормального развития первичною побега с зелеными листьями у Cypripedium и многих видов Orchideae необходим период покоя при пониженной температуре (2-5°С в течение 3-5 мес.), тогда как проростки Epidendroideae и Goodyera repens развивали зеленые листья при комнатной температуре. Условия асимбиотической культуры (особенно на средах с регуляторами роста) вызывают ряд отклонений в ходе морфогенеза проростков, не наблюдаемых в природе: увеличение числа корней на первичном побеге, ветвление побегов, почкование протокормов, каллусообразование у Cypripedium, вытягивание протокормов. усиленный ризогенез, торможение развития зеленых листьев и побегов возобновления с корнеклубнями у Orchideae. нарушение последовательности формирования первичного побега и коралловидного разрастания протокорма у Calypso bulbosa. Данные о развитии асимбиоти-. ческих проростков не всегда дают точное представление о ходе развития орхидных в природе.

Глава 6. КЛОНАЛЬНОЕ МИКРОРАЗМНОЖЕНИЕ

Методы клонального микроразмножения, широко применяемые для тропических орхидей, практически не разработаны для орхидных умеренной зоны. Для выяснения зависимости регенерации асимбиотических протокормов Cypripedium calceolus и С. macranthon от экзогенных регуляторов роста их эксплантаты высаживались на 25 вариантов среды с

кинетином и НУК (0-8 мг/л). Наилучшее выживание, эксплантатов (до 96%) и наибольшая доля перешедших к образованию почкующихся прото-кормоподобных структур (ППС) (до 50-62%) отмечались в присутствии обоих типов регуляторов роста в невысоких концентрациях (по 1-2 мг/л); при высоких концентрациях преобладало каллусообразование. а при отсутствии одного из регуляторов роста большинство эксплантатов отмирало (до 95-100%). Регенерацичнная способность С. тасгапШоп оказалась существенно меньшей, чем у С. са1сео1из. Растения-регене-ранты были получены при пересадке размноженного материала на среды с низким содержанием регуляторов роста (0-0,5 мг/л): их дальнейшее развитие было вполне подобно наблюдавшемуся у проростков. К микроразмножению оказались способны также изолированные верхушки корней асимбиотических проростков Сург1ре<Ишп, формировавшие многочисленные ППС или каллус из субэпидермальных слоев через 2-4 мес. после посадки (кинетин и НУК по 8 мг/л). •

Из органов и тканей взрослых растений Сург1ре<11ии наиболее пригодными в качестве исходного материала для клонального микроразмножения оказались завязи, изолированные в период от рагггрг«га-ния листьев по нг'ьтла цветения: через 1-3 мес. после их посадки на среду из семязачатков, плацент и стенок завязи формировались многочисленные ППС. пригодные для дальнейшего микроразмножения. Способность завязей к образованию ППС снижалась в ряду С. уепг.г1созшя -С. са1сео1из - С. тасгапИюп - С. еииа1шп. При подборе подходящих условий метод микроразмножения путем индукции образования ППС на эксплантатах асимбиотических проростков или органов взрослых растений может быть успешно применен для различных орхидных умеренной зоны.

Глава 7. СИМБИОТИЧЕСКОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ

7.1. Микосимбионты. Микосимбионты большинства автотрофных орхидных относятся к формальному роду Rhizoctonia и являются анамор-фами базидкомицетов из ceM.Tulasnellaceae, Ceratobasidiaceae. Tre-mellaceae (Warcup, 1975). Для их выделения наиболее пригодны субапикальные участки растущих корней орхидных, взятые в конце вегетационного периода. Особенно легко выделяются микосимбионты Goodyera repens и Gyinnadenlinae (Heottianthe cucullata, Dactylorhiza macula-ta, Platanthera bifolia и др.), а получение микосимбионтов Cypripe-dioideae. Neottieae. Epidendroideae гораздо более затруднено. Среди выделенных ризоктониеподобных грибов преобладали две группы, различавшиеся по морфологическим признакам и характеру активности: группа Rhizoctonia goodyerae-repentis (симбионты Goodyera repens, Neottianthe cucullata и отчасти Dactylorhiza maculata) и группа Rh. repens (симбионты Platanthera bifolia, Malaxis monophyllos. Dactylorhiza incarnata и др.). Из одного и того же вида орхидных в ряде случаев выделялись однотипные грибы (Goodyera repens. Neottianthe cucullata. Platanthera bifolia и др!), а иногда - резко различные (Dactylorhiza maculata).

7.2. Симбиотическое прорастание. Определение симбиотической активности и специфичности. Активность и специфичность полученных микосимбионтов изменялись в очень широких пределах, в том числе и у внешне неразличимых грибов, выделенных из одного и того же растения. Во многих случаях более эффективная стимуляция прорастания семян и роста проростков наблюдалась не с теми видами орхидных, из которых были выделены данные грибы, а с видами, имеющими в природе иные микосимбионты. Симбиотическое прорастание было получено только у видов, не обладающих глубоким покоем семян. - Goodyera repens и Gyranadenlinae (Dactylorhiza maculata, Neottianthe cucullata. Plaid

tanthera bifolia и др.). а также Malaxis monophyllos. Из них наименьшей специфичностью обладает D. maculata (симбкотическое прорастание было получено с разнообразными грибами, выделенными из 10 видов орхидных). Доля прорастающих семян и скорость роста проростков в симбиотической культуре чрезвычайно сильно колеблются, но с наиболее активными микосимбионтами скорость роста значительно выше, чем в асимбиотической культуре. Юл развертывания листьев проростков Dactylorhiza maculata. Piatanthera bifolia. Coeloglossum viride необходим период покоя при 2-5°С. а у Goodyera repens. Neottianthe cucullata. Malaxis monophyllos проростки развертывали зеленые листья при комнатной температуре.

Семена видов, обладающих глубоким покоем (Cypripedium. Cepha-lanthera. Epipactis). не прорастали ни с их собственными эндофитны-ми грибами, ни с микосимбионтами легкопрорастающих видов (изредка отдельные семена Е. palustris прорастали с грибами из Neottianthe cucullata). Однако, часть грибов, выделенных из Cypripedium calceo-lus и С. macranthon. стимулировала рост проростков этих видов, предварительно Еуращеккых в асимбиотической культуре. Очевидно, данные грибы, являющиеся симбионтами видов Cypripedium в природе, способны образовывать симбиоз с их проростками, но не могут стимулировать прорастание их покоящихся семян.

Глава 8. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ОХРАНЫ ОРХИДНЫХ УРАЛА

При сохранении наблюдающихся темпов разрушения местообитаний

»

наиболее редким видам орхидных Урала угрожает исчезновение в ближайшие годы. Созданная на Урале сеть охраняемых территорий (Мамаев, Ипполитов, 1984) пока не обеспечивает надежную охрану наиболее редких видов орхидных. Среди обследованных нами в 1988-1995 гг. местонахождений особую ценность для сохранения генофонда отдельных видов представляют следующие: для Cypripedium calceolus, С. macranthon,

1У

Calypso bulbosa - сосновые леса в кв.191.192 Сысертского л-ва Свердловской обл.. для С. macranthon - болото в долине р.Иртыш близ с.Мал. Еича (Усть-Ишимский р-н Омской обл.), для Cephalarithera lon-gifolia и С. robra - Долгие горы у северной окраины гЛ.расноуфим-ска. г.Черная близ с.Усть-Баяк и междуречье рр.Бугалыш и Еманзельга (Красноуфимский р-н Свердловской обл.). для Orchis mascula - луга близ с.Русский Саре (Октябрьский р-н Пермской обл.), у п.Шаля (Ша-линский р-н Свердловской обл.). ж.д.ст.Михайловский Завод (Нижне-сергинский р-н Свердловской обл.), г.Сим (Ашинский р-н Челябинской обл.) и на хр.Зюраткуль (Сатеинский р-н Челябинской обл.), для О. militaris и Liparis loeselii (а также Gymnadenia odoratissima. Oph-rys insectifera, ^Dactylorhiza ochroleuca. D.' russowii) - болото близ с.Аркаулово Салаватского р-на Башкирии. Организация ботанических заказников или памятников природы в этих местообитаниях, а также планируемое создание заповедника "Уфимское плато" в Красноуфимс-ком р-не Свердловской обл. позволят улучшить ситуацию с охраной наиболее редких видов орхидных Урала. Для охраны лесных и болотных видов достаточно полностью исключить хозяйственную деятельность в их местообитаниях, а для сохранения видов полуестественных луговых фнтоценозов (в частности. Orchis mascula) необходимо поддержание традиционного режима использования местообитаний - ежегодного сенокошения.

Наряду с сохранением исчезающих видов на охраняемых территориях важное значение имеет их культивирование. Успехи, достигнутые в последние годы в области размножения орхидных умеренной зоны in vitro, создают возможность широкого введения в культуру многих представителей этой группы. Работы в этой области должны стать важной частью программ по сохранению видопого разнообразия флоры в условиях антропогенного воздействия на фитоценозы.

выводы

1. Флора орхидных Урала насчитывает 37 видов из 22 родов (Oph-rys insectlfera и Dactylorhiza ochroleuca приводятся впервые). В ней представлены б типов геоэлемента: голарктический (2.7%). евразийский 118.9%). бореальный (32.5%). южносибнрскнй (16,2%). европейский (27.0/5) и горный (2.7%). Ее отличительной особенностью по сравнению с флорами прилегающих территорий является относительно высокая доля европейского типа геоэлемента, отчасти (5 видов) представленного реликтовыми видами, связанными с широколиственными лесами и известковыми болотами Предуралья. Для 24 редких видов орхидных составлены точечные карты распространения на Урале.

2. Численность и плотность ценспопуляций редких орхидных Урала. как правило, низки и не испытывают существенных колебаний (за исключением Orchis mascula и Liparis loeselii). Ценопопуляции относятся к типу нормальных неполночленных (вследствие невыраженности постгенеративного периода онтогенеза, а у корневищных видов нередко из-за' нерегулярности семенного возобновления) и имеют правосторонние возрастные спектры. Доля взрослы* особей находится на примерно постоянном уровне, но соотношение их групп (вегетативной и генеративной) значительно колеблется по годам.

3. Относительная роль семенного и вегетативного способов самоподдержания популяций орхидных различна у представителей их разных систематических групп и связана с типами их биоморф: у корнеклубне-вых Orchideae резко преобладает семенное возобновление, у клубневых Epidendroideae оба способа примерно равноценны, а у корневищных Cypripedioideae и Neottieae преобладает вегетативное возобновление при редкости и нерегулярности семенного. Эффективность семейного возобновления на первом этапе ограничивается недостаточным опылением. а у Calypso bulbosa также активностью фитофагов. Вегетативное размножение осуществляется в форме ветвления осей подземных побегов

21

(нормальная партикуляция). а у Cephalanthera также путем образова ния адвентивных побегов на корнях.

4 Способность зрелых семян к прорастанию in vitro (т.е. нали чие/отсутствие глубокого покоя) является характерной чертой крупны: систёматических групп орхидных и связана прежде всего со стелены развития внутреннего слоя семенной кожуры. Глубоким покоем обладаю1 семена Cypripedioideae. Neottieae и Orchidinae s.str.. слабовыра женным покоем - семена автотрофных Epidendroideae. a Gymnadeniinai и Goodyera repens (Spiranthoideae) имеют легкопрорастающие семена.

5. Незрелые семена способны к прорастанию in vitro в течени периода от приобретения зародышем автономности до сформировали: состояния покоя (признаком чего является отмирание клеток интегу ментов), границы которого видоспецифичны. Присутствие цитокининов i ауксинов в среде стимулирует прорастание незрелых семян и/или раз витие проростков, но нередко вызывает отклонения их морфогенеза с нормального.

6. Клоналыюе микроразмножение Cypripedium возможно путем де ления асимбиотических протокормов либо в культуре изолированны корней проростков или завязей взрослых растений. Оно протекает че рез стадии образования нротокормоподобных структур (змбриоидов) ия эмбриоидогенного каллуса: его ход зависит от концентраций ауксинаj цитокннина в среде.

7. Специфичность микоризного симбиоза у орхидных Урала как i природе, так и in vitro колеблется в очень широких пределах. Много микосимбионты способны стимулировать прорастание семян и рост про ростков не только того вида орхидных, из которого они выделены, н и других (нередко с большей эффективностью).

8. К симбиотическому прорастанию In vitro способны только ор хидные, не обладающие глубоким покоем семян (Gymnadeniinae, Goodye ra. Malaxis). тогда как прорастание семян с глубоким покоем (Cypri

ediura. Neottleae) не стимулируют ни микосимбионты легкопро^ястаю-¡их видов, ни собственные зндофитные грибы видов с глубоким покоем емян (хотя последние иногда способны стимулировать рост их про-остков).

9. 24 вида орхидных флоры Урала (64.9%) требуют первоочередных iep охраны, прежде всего в форме организации охраняемых территорий I местах произрастания наиболее крупных популяций и массового разм-южеиия в культуре с последующей реинтродукцией. Сохранение видов, вязанных с лесными и болотными фитоценозами. возможно при полном [сключении хозяйственной деятельности в их местообитаниях, а для :идов полуестественных луговых фитоценозов необходимо сохранение •радиционного режима использования их местообитаний.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Куликов П.В.. Филиппов Е.Г. Прорастание и развитие проростков [екоторых орхидных умеренной зоны // Тез. докл. областной науч-io-практич. школы-конференции "Экологические системы Урала: изуче-1ие. охрана, эксплуатация".Свердловск: ИЭРК УНЦ АН СССР, 1987.С.29.

- Батыгина Т.Е.. Андронова Е.В., Куликов Л.В.. Филиппов Е.Г. •мбриокультура как способ репатриации и реинтродукции редких видов астений (на примере орхидных) // "Биология культивируемых клеток и ¡иотехнология". Тез. докл. междунар. конф. Новосибирск: СО АН СССР, .988. 4.2. С. 231.

Куликов П.В. Семенное размножение Cypripedlum в стерильной :ультуре // "Изучение, охрана и рациональное использование природах ресурсов". Уфа: УНЦ УрО АН СССР. 1989. 4.2. С. 136.

Куликов П.В. Прорастание семян и ранний онтогенез in vitro у 1екоторых орхидных Урала //Тр. III молодеж. конф. ботаников г.Ле-мнграда. Л.: БИН АН СССР, 1990. 4.2. Рукопись деп. в ВИНИТИ

гз

14.11.1990. N 5701-В90.

Knlikov P.V.. Fillppov E.G. The seed propagation In vitro north temperate orchids // Abstr. XI Int. symp. "Embryology and s ed reproduction". Leningrad: Hauka. 1990. P.85.

Куликов П.В. Асимбиотическое семенное размножение редких о; хидных Урала // Проблемы рационального использования, воспроизво, ства и экологического мониторинга лесов (Инф. материалы). Свер, ловск: УрО АН СССР. 1991. С. 83-85.

Куликов П.В.. Филиппов Е.Г. Прорастание семян и развитие пр ростков in vitro у некоторых орхидных умеренной зоны // Экология интродукция растений на Урале. Свердловск:УрО АН СССР. 1991. С.39-4:

Kulikov P.V.. Fillppov E.G. The seed proragation in vitro < north temperate orchids // Ргос. XI Int. symp. "Embryology and sei reproduction" (Leningrad. July 3-7. 1990). St.Petersburg: Naute 1992. P.296-297.

Куликов П.В. Семенное размножение редких орхидных Урала < "Актуальные проблемы ботаники". Тез. молодеж. конф. Апатиты: Ю РАН. 1993. С.20-21.

Куликов П.В. Асимбиотическое семенное размножение - nepcnei тивный метод интродукции орхидных умеренной зоны // "Использован! формового разнообразия ареалогических. экологических, ценотическ} и культигенных особенностей интродуцентов в ботанических коллекци! и озеленении". Матер, всероссийск. совещ. Билл. бот. сада "Бет ночи". Сочи. 1993. С.79-81.

Куликов П. В. К характеристике вторично-наземной жизненной фо{ мы у некоторых орхидных умеренной зоны // Успехи экологической мор фологии растений и ее влияние на смежные науки. Межвуз. сб. нау1 тр. М.: изд-во "Прометей" МПГУ им. В.И.Ленина. 1994. С.28-29.

Князев М.С.. Куликов П.В. Orchis mascula (Orchidaceae) на Ура ле // Ботан. зкурн. 1994. Т. 79. N 11. С. 51-58.