Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Репродуктивная биология некоторых декоративных дикорастущих видов растений Предуралья

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Репродуктивная биология некоторых декоративных дикорастущих видов растений Предуралья"

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Боронннкова Светлана Витальевна

РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ НЕКОТОРЫХ ДЕКОРАТИВНЫХ ДИКОРАСТУЩИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ ПРЕДУРАЛЬЯ

03.00.05 - Ботаника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Пермь -1995

Работа выполнена в Пермском государственном университете.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор В.А.ВЕРЕЩАГИНА

доктор биологических наук, М.А.ВИШНЯКОВА кандидат биологических наук, С.А.ЗИМНИЦКАЯ

Ведущая организация: Институт экологии растений и животных Уральского отделения РАН

Защита состоится 20 февраля 1996 года в 14 часов на заседании диссертационного совета К 063.59.09 в зале заседаний Ученого совета Пермского государственного университета, по адресу: 614600, г. Пермь, ул. Букирева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан ■Ж". у£Л<.Л-лЦ\л? . 1996 года.

Ученый секретарь

Официальные оппоненты:

диссертационного совета, кандидат биологических наук

Колясникова НЛ.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Организация охраны отдельных видов растений требует знания комплекса вопросов (Тахтаджян, 1981), первостепенную роль при этом играет изучение репродуктивной биологии, а в ее рамках -биологии семенного размножения вида. Вследствие большой популярности красивоцветущие растения интенсивно истребляются, и существует реальная угроза утраты природного генофонда декоративных дикорастущих растений Урала (Горчаковский, Шурова, 1982).

Биология семенного размножения вида включает три взаимосвязанных комплекса вопросов. Это биология и экология цветения и опыления, эмбриология и семенная продуктивность. Значение исследований цветения и опыления и влияние на этот процесс всей совокупности экологических факторов в их переплетении и взаимодействии было убедительно показано А.Н.Пономаревым (1970). Эмбриологические исследования для выявления характера и эффективности возобновления и размножения редких растений имеют ключевое значение, поскольку нарушения в генеративной сфере практически невозможно корректировать какими-либо природоохранными мероприятиями. Биологическую результативность всех предшествующих репродуктивных процессов определяет семенное возобновх;ение (Левина, 1981), в основе которого лежит семенная продуктивность. Таким образом, важность изучения комплекса вопросов, относящихся к биологии семенного размножения, не вызывает сомнений. Тем более это важно для изучения редких и исчезающих видов, без чего невозможна организация их охраны, успешная интродукция и вовлечение в селекционный процесс. Между тем исследования такого плана, имеющие комплексный характер, практически отсутствуют.

Цель и задачи исследования. Основная цель наших исследований -изучить репродуктивную биологию некоторых охраняемых растений Предуралья, имеющих высокую декоративную ценность.

В связи с этим мы решали следующие конкретные задачи:

- изучить цветение и опыление;

- провести эмбриологическое исследование, проследив развитие структур цветка от мега- и микроспорогенеза до формирования зародыша;

- определить семенную продуктивность каждого вида.

Научная новизна работы. Впервые комплексно исследованы цветение, опыление, эмбриология и семенная продуктивность некоторых дикорастущих декоративных растений Предуралья. Получены данные по суточной ритмике распускания цветков у 5 видов, завязываемости плодов у 4 видов. Развитие стенки пыльника впервые исследовано у 6 видов семейства Campanulaceae, микроспорогенез и развитие пыльцы у Campanula glomerata, C.latifoiia и C.trachelium. У 3 видов колокольчиков показано

з

наличие нитчатого аппарата в синергидах. Для определения фертильности семяпочек колокольчиков нами модифицирована методика ферментативного разложения крахмала и с ее помощью дана оценка состояния женского гаметофита к моменту начала цветения у 3 видов колокольчиков. Установлено наличие крахмальных зерен у колокольчиков в клепках инте-гумента, центральной клетке зародышевого мешка и в яйцеклетке. У Ade-nophora lilifolia описан Phyteuma-тип развитая эндосперма. Впервые исследована прогамная фаза оплодотворения у C.persicifolia при разных вариантах опыления и прослежено развитие семяпочек колокольчиков на разных этапах развития завязи. Отмечено, что у Lilium martagón зародышевые мешки завершают формирование уже в раскрывшемся цветке и становятся зрелыми на четвертый день. Семенная продуктивность в полном объеме определена у 9 дикорастущих декоративных видов растений Предуралья.

Практическая ценность работы. Изучение длительности цветения популяций и суточного хода раскрывания цветков имеет большое практическое значение для декоративного садоводства. Изучение биологии цветка и типов опыления необходимо при составлении селекционных программ. Методика ферментативного разложения крахмала, модифицированная нами применительно к колокольчикам, зародышевые мешки которых содержат большое количество крахмальных зерен, дает возможность определить фертильность женского гаметофита на разных этапах развития завязи и выяснить причины снижения семенной продуктивности. Исследование семенной продуктивности у колокольчиков, содержащих большое число семяпочек в завязи, дает основание внести изменения в методику подсчета числа семяпочек и семян. Данные по репродуктивной биологии необходимы наряду с другими критериями для оценки состояния природных популяций 9 декоративных видов растений, 6 из которых внесены в список охраняемых растений. Даны рекомендации по охране популяций изученных видов растений. В ботаническом саду Пермского университета заложен участок охраняемых растений, на котором ведутся опыты по введению в культуру 9 изученных видов.

Полученные данные используются при чтении лекций по спецкурсам в Пермском университете.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на IV Молодежной конференции ботаников (Санкт-Петербург, 1992), на Вторых Чтениях, посвященных памяти Р.Е.Левиной (Ульяновск, 1993), на конференции, посвященной памяти С.С.Шварца (Екатеринбург, 1994), на Международной научной конференции (Пермь, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 182 страница^, список литературы включает 166 наименований, из их 118 на русском и 48 на иностранных языках. В диссертации приведено 14 таблиц, 33 рисунка, объединяющих 11 фотографий, 65 микрофотографий, 10 графиков.

Глава 1. МЕСТО ИССЛЕДОВАНИИ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Полевые исследования и сбор материала проведены в 1986-1994 годах на территории учлесхоза "Предуралье" Пермского университета, имеющего статус заказника. В качестве объектов исследования были избраны 9 видов из семейств АБра^асеае, Сашрапи1асеае, ЬШасеае. Выбор объекте.» для исследований определялся двумя критериями. Во-первых, были избраны растения, подлежащие охране, внесенные в общесоюзные (Редкие и исчезающие ..., 1981), региональные (Горчаковский, Шурова, 1982) и местные (Белковская, Овеснов, 1988) сводки, в том числе с категорией угрожаемого состояния 3 (Л). Во-вторых, из общего числа охраняемых видов были выделены красивоцветущие, декоративные многолетние травянистые растения, в наибольшей степени подвергающиеся угрозе уничтожения.

Список изученных видов

Название семейства и вида

Сем. Asparagaceae Juss.:

1. Polygonatum odoratum (Mill.) Druce.

2. Polygonatum multiflorum (L.) All. Сем. Campanulaceae Juss.:

3. Adenophora lilifolia (L.) DC.

4. Campanula glomerata L.

5. Campanula latifolia L.

6. Campanula persicifolia L.

7. Campanula rotundifolia L.

8. Campanula trachelium L.

Сем. Liliaceae Juss.:

9. Lilium martagon subsp. pilosiusculum (Freyn) Iljinex B. Fedtsch.

Категория Источник угрожаемого информации состояния

Горчаковский,Шурова, 3 (Я) 1982.

В сводки не внесен.

3 (II) Горчаковский, Шурова, 1982.

В сводки не внесен. 3 (II) Редкие и исчезающие..., 1981; Белковская, Овес-нов, 1988. 3 (Л) Горчаковский, Шурова, 1982; Белковская, Овес-нов, 1988. В сводки не внесен. 3 (Л) Редкие и исчезающие..., 1981.

3 (И) . Редкие и исчезающие..., 1981 ¡Горчаковский, Шурова, 1982; Белковская, Овеснов, 1988.

Аитэкологические исследования проводились по методике А.Н.Пономарева? (1960) на 30-35 растениях каждого вида. Фертильнссть пыльцы

определялась на временных препаратах с окраской в ацетокармине (Паушева, 1980). Для изучения мегаспорогенеза и развитая зародышевого мешка проводились фиксации бутонов и завязей разной величины. Для изучения двойного оплодотворения, развития эндосперма и зародыша велась'темпоральная фиксация через сутки до 10 суток с использованием фиксаторов Навашина, Кларка, Чемберлена. Изготовление постоянных препаратов осуществлялось по общепринятой цитоэмбриологической методике. Микротомные срезы толщиной 10-12 мкМ окрашивали тройной окраской (кислый фуксин по Фельгену-гематоксшшн Эрлиха-алциановый синий)(Камелина и др., 1992) и железным гематоксилином.

У 3-х видов колокольчиков изучалась фертильность семяпочек методом просветления в этилсалицилате (Отбор ..., 1985). Поскольку зародышевые мешки колокольчиков содержат крахмальные зерна, экранирующие элементы зародышевого мешка, мы модифицировали методику ферментативного разложения крахмала (Самнер и др., 1948; Кретович, 1980) применительно к колокольчикам (Боронникова, 1995). Наличие крахмала в тканях семяпочки и зародышевого мешка определяли с помощью раствора йода в йодистом калии (Дженсен, 1965). С целью исследования морфологии зародышевого мешка колокольчиков и купен использовали методику вычленения целых зародышевых мешков без мацерации тканей семяпочки (Орлова и др., 1985). Фертильность семяпочек колокольчика персиколистного определялась методом люминесцентной микроскопии (Отбор ..., 1985). Наблюдение и фотографирование проводили в УФ-лучах, используя микроскоп" Люмам" с фотонасадкой в отделе анатомии и цитологии ВНИИ растениеводства (г.Санкт-Пегербург). Изучение и фотографирование постоянных и временных препаратов проведено с помощью микроскопа МБИ-6 с фотонасадкой.

Для изучения завязываемости плодов при разных вариантах опыления бутоны кастрировались до вскрывания пыльников, этикегировались и изолировались марлевыми изоляторами. Опыление производилось после созревания рыльца. После кастрации и нанесения пыльцы все инструменты тщательно стерилизовались в спирте. Надежность изоляции и инфекционный фон регулярно проверялись.

При изучении семенной продуктивности определялись: процент плодоцветения (процент цветков, давших плоды); процент семенификации на плод (процент семяпочек, развившихся в семена); потенциальная семенная продуктивность (количество семяпочек на особь); фактическая семенная продуктивность (количество семян на особь) и коэффициент семенной продуктивности (Работнов, 1960; Вайнагий, 1974). Выборка растений осуществлялась случайным методом, растения предварительно этикегировались. Исследования проводились на достаточном числе учетных единиц (п = 100). Число семяпочек и семян подсчитывалось под микроскопом МБС-10.

Число всходов подсчитывалось по методике Т.А.Работнова (1960). Лабораторная всхожесть семян определялась по ГОСТ 24933.0-81 и 24933.281. Для определения полевой всхожести семяна колокольчиковых и лилии кудреватой высевались рядами по тысяче штук.

Статистическая обработка материала проводилась по методикам В.Ю.Урбаха (1964) и Г.Н.Зайцева (1984) с использованием ПЭВМ "Искра" вычислительного центра Пермского университета.

Глава 2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Подробные сведения о цветении и опылении колокольчиковых приводятся в классической сводке по биологии цветения П.Кнута (Knuth, 1899) и в более позднем обзоре К.Фегри и Л. ван дер Пейла (1982). Цветение и опыление C.laíifalia и C.trachelium изучены в условиях Предуралья (Антонова, 1976), a C.persicifolia в культуре на Среднем Урале (Мамаева и др., 1986). Практически отсутствуют интересующие нас сведения по A.lilifoiia. Некоторые данные о цветении и опылении лилий приводятся в серии работ М.В.Барановой (1974, 1990) по онтогенезу лилий в культуре. Некоторые аспекты цветения в Предуралъе описаны Л.А.Ивашкиной (1985). З.П.Зайцева (1986) изучила продолжительность цветения L.martagon в культуре на Среднем Урале. Литературные данные о цветении и опылении купен очень ограничены (Knuth, 1899; Антонова, 1976, 1979).

Первые работы по эмбриологии колокольчиков появились еще в прошлом столетии (Schacht, 1857; Hofmeister, 1858; Barnes, 1885). Эмбриологическая характеристика семейства Campanulaceae приведена К.Шнар-фом (Schnarf, 1931). Большинство дальнейших печатных работ посвящено изучению развития эндосперма и зародыша. Установлен тип развития эндосперма у C.glomerata, C.persicifolia и С.rotundifolia (Rosen, 1932, 1949). Изучено развитие мужской и женской генерагивной сферы у A.lilifoiia (Safijovska, 1934). Полученные данные были обобщены при составлении эмбриологической характеристики семейства Campanulaceae (Davis, 1966; Поддубная-Арнольди, 1982). Последняя работа обобщающего характера, основанная на изучении C.rapunculoides и литературных данных, принадлежит С.Н.Коробовой и Н.А.Жинкиной (1987). В связи с тем, что объем семейства Campanulaceae пересмотрен (Тахтаджян, 1987), эмбриологическая Характеристика семейства требует уточнений. Лилия кудреватая являемся классическим объектом эмбриологических исследований. Развитие пыльника и пыльцы подробно рассмотрены 3.В.Волховских (1965). Мегаспорогенез лилий изучен детально, что вызвано интересом исследователей к своебразному развитию их зародышевых мешков. У L.martagon тетраспорический зародышевый мешок, развивающийся по Fritillaria-типу (Cooper, 1935; Кострюкова, 1961). Процессу оплодотворения у L.martagon посвящен целый ряд работ, так как именно у этого вида было открыто в 1898 году двойное оплодотворение (Навашин, 1951). Развитие эндосперма у лилий следует по нуклеарному типу (Schnarf, 1931). Подробно развитие

ценоцитной стадии эндосперма изучено Т.Ф.Петровой (1977). Эмбриология обоих видов купен изучена недостаточно (Stenar, 1953; Bjomstad, 1970).

У исследованных видов семенная продуктивность практически не изучена. Имеются лишь отдельные указания на количество семяпочек в завязи C.persicifolia (Darlington et al., 1937) и данные по семенной продуктивности отдельной особи C.glomerata (Писковацкова, 1980). Фрагментарные данные можно получить из работ по морфологии плодов колокольчиков (Конаковский, 1985) и морфологии семян (Беляев, 1986). Семенная продуктивность L.martagon также не изучена. В литературе имеются лишь указания на число семян в коробочке и число цветков и плодов на побеге (Лилия ..., 1986; Мусина, 1987; Баранова, 1990). Данные о семенной продукшвности купен отсутствуют.

Итак, степень изученности видов, избранных для исследований, различна. Существующие литературные данные по репродуктивной биологии этих видов единичны и фрагментарны. Задача комплексного исследования репродуктивной биологии декоративных дикорастущих видов Предуралья ранее не ставилась и не решалась.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1. КОЛОКОЛЬЧИКОВЫЕ

Цвегение и опыление. Колокольчиковые цветут с июня до конца сентября. Период цветения у C.latifolia продолжается 28 дней, у A.Iilifolia до 40 дней. У C.persicifolia отмечено две волны цветения, a C.rotundifolia обладает ремонтантной ■ формой цветения. Продолжительность цветения колокольчиковых обеспечивает декоративность в течение длительного времени. При сухой теплой погоде средняя продолжительность жизни отдельно взятого цветка составила: 2-4 суток у C.latifolia и C.rotundifolia, 3-4 суток у C.glomerata и A.Iilifolia, 4-5 суток у C.persicifolia и 5-6 суток у C.rotundifolia. В дождливую прохладную погоду продолжительность жизни отдельного цветка может увеличиваться до 8 суток. Продолжительность тычиночной фазы цветка составила от 10 до 24 часов, а пестичной фазы у колокольчиков - от 48 до 96 часов, у A.Iilifolia - от 72 до 100 часов.

Комплексное изучение цветения, опыления, роста пыльцевых трубок позволяет сделать вывод о том, что колокольчиковые являются преимущественно перекрестноопыляемыми растениями. Об этом свидетельствуют: четко выраженная протерандрия цветка; дневной тип распускания цветков, совпадающий со временем действия опылителей; максимальное завязывание плодов при перекрестном опылении; ингибирование роста пыльцевых трубок при самоопылении. Ксеногамию колокольчиковых обеспечивают несколько приспособлений, различных по характеру проявлений, но действующих в одном направлении: протерандрия, структурные особенности цветка и несовместимость пыльцы и рыльца при самоопылении.

Таким образом, система их опыления может быть отнесена к поликомпонентной в понимании В.А.Верещагиной (1980).

Развитие пыльника и пыльцы, фертильность пыльцы. Пыльники у всех изученных видов четырехгнездные, двутековые, вскрываются интрорзно. Формирование стенки происходит в премейотический период развития пыльника сходным образом у всех изученных видов. Сформированная стенка пыльника состоит из эпидермиса, нерегулярного двуслойного эндо-теция, среднего слоя и тапеггума. Мейоз правильный. В метафазе 1 хорошо различимы биваленты . Коньюгация правильна. Мейоз также был изучен у растений C.persicifolia, выращенных в ботаническом саду Пермского университета из семян, привезенных из Ботанического сада Оксфордского университета. В пыльниках этих растений на стадии метафазы 1 обнаружены цепи и кольца. У C.persicifolia описаны различные хромосомные расы (Gairdner et al., 1931). Изученные в природных популяциях и выращенные из привезенных семян экземпляры C.persicifolia, по-видимому, относятся к разным хромосомным расам. Нами отмечено, что мейоз может протекать асинхронно в пыльнике или даже в одном и том же гнезде у C.persicifolia и C.glomerata. Образование тетрад микроспор у изученных видов соответствует симультанному типу. Тетрады микроспор изобилатеральные или тет-раэдрические. Зрелые пыльцевые зерна двуклеточные. Отмечены следующие нарушения в развитии пыльника и пыльцы: ранняя деструкция и гипертрофия клеток тапетума у C.glomerata и C.persicifolia; дегенерация всего пыльника или одного, двух гнезд пыльника у тех же видов, а также у C.rotundifolia и A.lilifolia-, срастания двух соседних пыльников и образование вследствие этого одного шестигнездаого пыльника с двумя связниками у C.glomerata. Микроспорогенез и развитие пыльцы в гнездах этого пыльника протекают асинхронно. Нарушения в развитии эндотеция обнаружены у A.lilifolia. Отмеченные нарушения встречаются редко - в 1.5% исследованных пыльников.

Все изученные виды оказались высокофертильными. Фертильность пыльцы в среднем колебалась от 74% у C.glomerata до 97% у C.latifolia. Минимальное значение фертильности пыльцы отмечено у A.lilifolia и C.glomerata - 61%, а максимальное значение у C.latifolia - 97%.

Итак, развитие пыльника и пыльцы у шести видов колокольчиковых происходит по единому плану и не обнаруживает отличий от других видов этого семейства. Аномалии в развитии мужской генеративной сферы единичны и не снижают существенно фертильности пыльцы. Высокая фертильность пыльцы обеспечивает успешное опыление и оплодотворение.

Мегаспорогенез. развитие зародышевого мешка, оплодотворение. развитие эндосперма и зародыша, фертильность семяпочек. Завязь шести изученных видов трехгнездная. Семяпочка анатропная, тенуинуцеллятная, однопокровная. Мегаспорогенез и развитие. зародышевого мешка у всех шести изученных видов происходит сходным образом. Зародышевый мешок моноспорический, Polygonum-типа. Сформированный зародышевый мешок

пятиядерный, четырехклеточный, антиподы эфемерны. Наличие в синер-гидах нитчатого аппарата четко показано у СЛаИ/оИа, С.регвт/оИа, СЛгасНеНит. Крахмальные зерна отмечены не только в клетках интегумента и центральной клегпсе зародышевого мешка, но и в яйцеклетке.

Прогамная фаза оплодотворения изучена на примере С.репШ/оИа. Рост пыльцевых трубок при свободном цветении протекал также, как и при искусственном перекрестном опылении. При искусственном самоопылении наблюдалось явление несовместимости пыльцевых трубок с тканями пестика, проявляющиеся на поверхности рыльца в виде извивов, поворотов, штопорообразных закручиваний пыльцевых трубок. Двойное оплодотворение происходило в условиях Предуралья на третьи сутки. Эндосперм клеточный. Установлено, что у А,1Ш/оИа развитие эндосперма осуществляется по РЬу1еита-типу. Первое деление зиготы отмечено на седьмые сутки. Зародыш развивается по 8о1апас1-типу.

Фертильность семяпочек оценивалась у С.1аП/оНа. С.рета/оИа, СлгаскеИит по содержанию крахмала, морфологической полноценности семяпочки, зародышевого мешка и их размерам. К фертильным отнесены морфологически полноценные семяпочки с достаточно длинными зародышевыми мешками с гонкими оболочками, четко дифференцированными клетками яйцевого аппарата и двумя полярными ядрами. В центральной клетке отмечено большое количество крахмальных зерен. Интегумен-тальный тапетум выражен хорошо, микропиле сформировано. Клетки апикальной части эпидермиса нуцеллуса фергильных семяпочек к началу цветения лизируются. Фертильные семяпочки к началу цветения составили 83.3% у СЛаН/оИа, 75.7% у С.реЫа/оИа, 71.2% у СлгасНеНит. Установлены основные нарушения в развитии женского гаметофита колокольчиков: нарушение синтеза крахмала, отсутствие дегенерации эпидермиса нуцеллуса, морфологическая неполноценность зародышевых мешков и семяпочек. Фертильность семяпочек С.регьШ/оЧа, определенная методом люминесцентной микроскопии, составила 98.9%.

Семенная продуктивность. Нами была определена семенная продуктивность трех видов колокольчиков в расчете на плод на разных этапах развития завязи. Из общего числа семяпочек в завязи трех видов колокольчиков было подсчитано число фертильных семяпочек в начале цветения. Самая высокая фертильность семяпочек у САаН/оНа - 83.3%. Для определения числа оплодотворенных семяпочек было подсчитано число семяпочек, дающих семена в зеленых коробочках. От общего числа семяпочек, заложенных в завязи, оплодотворенные семяпочки составили от 58.5% у С.рег$1сл(оИа до 68.1% у СлгаскеИит. Для определения фактической семенной продуктивности было подсчитано число полноценных семян в сухих коробочках. У СлгасИеИит лишь 40-44% семяпочек, заложенных в завязи, дают полноценные семена; у С.рета/оИа 31-33%; у САаН/оИа 29-33%.

Семенная продуктивность изучена в полном объеме у 6 видов колокольчиковых. Число семяпочек, заложенных в завязи, является

видовым признаком. Наибольшее число семяпочек в завязи закладывается у С.рета/оНа - 680.0, а наименьшее - у А.ЧИ/оИа - 81.9. Процент семенифи-кации, число развившихся в семена семяпочек на плод, невысок: наибольшее значение у СлтаскеИит - 43.9%, а наименьшее у С.%1отега1а - 15.6%. У единственного представителя рода Ас1епор/гога в семена развивается приблизительно третья часть семяпочек. Процент плодоцветения, то есть процент цветков, давших плоды, достаточно высок у С.ШскеНит, С.%1отега1а, С.режа/оНа и АМН/оИа (49.2-93.4%), но несколько ниже у С.гоШпсИ/оИа и С.1аи/оНа (22.2-82.8%). Фактическая семенная продуктивность ниже потенциальной у всех изученных видов. Из колокольчиковых самая высокая потенциальная семенная продуктивность у САаИ/оНа - 7657.3 семяпочек на генеративный побег, самая низкая у С.гоШпсН/оНа - 168.7. Максимальное значение фактической семенной продуктивности у СлгаскеГшт - 2932.1 полноценных семян на генеративный побег, а минимальное у С.го1ипсИ/оИа - 7.8. Итоговый показатель семенной продуктивности - коэффициент семенной продуктивности - невысок у всех изученных видов. Наибольшее значение коэффициента семенной продуктивности из колокольчиковых у СЛгасНеИит в 1992 - 40.6%. Самый низкий коэффициент семенной продуктивности у С.гогипсИ/оНа. В 1991 году у этого вида лишь 7.0% семяпрчек развились в семена, а в 1992 году - 4.6%.

Таким образом, коэффициент семенной продуктивности изученных видов колокольчиковых невысок. Тем не менее у всех изученных видов абсолютное число полноценных семян на особь, по нашему мнению, достаточно для семенного возобновления, кроме С.ШипсН/оНа. Возобновление этого вида требует- дополнительного изучения.

3.2. ЛИЛИЯ КУДРЕВАТАЯ

Цветение и опыление. Цветки лилии кудреватой привлекают внимание изяществом, красотой и неповторимым ароматом. Продолжительность цветения популяции ог 15 до 30 дней. Цветение одной особи длится от 10 до 15 дней, одного цвегка - 6-10 дней. Процесс раскрывания цветка Ь.таг1а%ол длится от 16 до 24 часов и завершается либо с б до 8 часов, либо с 22 до 24 часов. Средняя продолжительность пестичной фазы цветка составила 52 часа, а тычиночной - 31 час. В процессе раскрывания цветка и в первый день цветения наблюдается соприкосновение качающихся пыльников с собственным рыльцем. У данного вида возможны самоопыление, перекрестное опыление и апомиксис.

Эмбриология. Лилии являются классическим объектом эмбриологических исследований, их эмбриология изучена подробно. Полученные нами данные вполне согласуются с литературными. В своем исследовании мы сосредоточили основное внимание на сопоставление данных по развитию пыльцы и зародышевого мешка с одной стороны, и стадий развития цветка - с другой. В слабоокрашенных бутонах длиной от 20 до 25 мм отмечен мейоз в микроспороцитах пыльников. Выход микроспор из

тэт рад и одноклеточные пыльцевые зерна отмечены в розовых и сиреневых бутонах длиной от 25 до 35 мм. Двуклеточные пыльцевые зерна отмечены в сиреневых бутонах перед и в процессе раскрывания цветка. Фертильность пыльцы у L.martagon в первый день цветения составила 94.2%.

Археспорий в завязи отмечен в пыльниках зеленых бутонов, длина которых не превышала 15 мм, а мегаспороцит - в бутонах от слабо окрашенных (розоватых) до интенсивно окрашенных (сиреневых) длиной от 20 до 35 мм. В то время, когда в пыльниках происходит первое митотическое деление при образовании пыльцевых зерен, в завязи только начинается мейоз. Развитие зародышевого мешка у L.martagon происходит по Fritillaria-типу (Cooper, 1935). Наши данные подтверждают это. Сформированный зародышевый мешок содержит три гаплоидные клетки яйцевого аппарата, гаплоидное верхнее полярное ядро, триплоидное нижнее полярное ядро и зри дегенерирующие антиподы. Сформированные зародышевые мешки появляются в конце первого и во второй день жизни цветка, когда пыльники уже вскрыты и рыльце обильно осыпано пыльцой. В только что сформированном зародышевом мешке клетки яйцевого аппарата морфологически сходны. Завершается дифференцировка клеток зародышевого мешка и осуществляется двойное оплодотворение у L.martagon только на четвертые сутки жизни цветка. Фертильность семяпочек в первый день цветения составила 80%. Отмечены два случая деления синергиды наряду с развитием зиготы, что подтверждает наличие апомиксиса у L.martagon.

Семенная продуктивность. Число семяпочек, заложенных в завязи лилии кудреватой, колеблется от 115.8 до 135.1 и является видовым признаком. Процент семенификации на плод высокий: от 71.9 в 1991 году до 92.6 в 1987 году. У L.martagon процент плодоцвеггения колеблется от 46.1% в 1991 году до 49.8% в 1986 году, то есть приблизительно половина цветков дают плоды. В 1990 году у лилии кудреватой сгнили практически все коробочки. Причины этого явления специально не изучались, но по сообщению Р.А.Каргшсоновой (1979), данный вид неустойчив по отношению к серой гнили. Нарушение периодичности плодоношения, на наш взгляд, существенно влияет на эффективность семенного размножения. Потенциальная семенная продуктивность лилии кудреватой высока - от 784.0 до 862.1 семяпочек на особь, а фактическая значительно ниже - от 285.8 до 380.0 семян на особь. Итоговый показатель - коэффициент семенной продуктивности - невысок. В течение трех лет он снизился от 46.2 до 33.2%. Следует отметить, что абсолютное число полноценных семян на особь все-таки велико - от 285.8 до 380.0. Таким образом, семенная продуктивность L.martagon невысока; нарушения периодичности плодоношения свидетельствуют о снижения интенсивности семенного размножения.

3.3. КУПЕНА ДУШИСТАЯ И КУПЕНА МНОГОЦВЕТКОВАЯ

Цветение и опыление. Наблюдения показывают, что популяции купен отцветают довольно быстр'о - в течение 7 дней. Для декоративных растений,

ценность которых определяется красотой цветков или соцветий, этот срок, несомненно, очень мал. Однако купены декоративны не только в пору цветения, но и в пору плодоношения; декоративность придают им и красивые листья, и изящно изогнутые стебли. Процесс раскрывания цветка у обоих видов купен длится около 5 часов. Цветки купен гомогамны. Распускание цветков происходит в течение светлого времени суток, несколько увеличиваясь в утренние и вечерние часы.

Для купен преимущественным является перекрестное опыление. Это подтверждается следующими данными: морфология цветка и его положение исключают попадание своей пыльцы на рыльце пестика; дневной ход распускания цветков, совпадающий со временем интенсивной деятельности насекомых; наличие специализированных опылителей (шмели); максимальное завязывание плодов при перекрестном опылении. Вместе с тем, у купен не исключено самоопыление как резервный способ опыления, что определяется гомогамий цветка и контактом рыльца с пыльниками в конце цветения при сохранении пыльцы в них.

Эмбриологические особенности купен: фертильность семяпочек и пыльцы. Завязь купен трехгнездная. В одном гнезде содержится у Р.тиШ/1огит одна или две семяпочки, у Р.ойогаЫт две или три. Семяпочка купен крассинуцеллятная, двупокровная. В субэпидермальном слое закладывается единственная археспориальная клетка. У изученных видов тетрады мегаспор Т-образные. Семяпочка почти анатропная. Микропиле образовано только внутренним интегументом. Сформированный зародышевый мешок купен состоит из яйцевого аппарата, представленного яйцеклеткой и двумя синергидами, центральной клетки и, обычно, трех антипод. Максимальное число антипод отмечено у Р.тиШДогит - 11. У Р:тиШАогит антиподы сохраняются долго, а у Р.ойогаХш** дегенерируют после оплодотворения. Фертильность семяпочек у Р.ойогашт в начале цветения составила 87.0%. Фертильность пыльцы у Р.ойогаЫт в первый день цветения составила 93.6%, у Р.тиН'фогит - 97.3%.

Семенная продуктивность. Число семяпочек, закладывающихся в завязи, выше у Р.о&гаЫт (4.9-8.8), чем у Р.тиШ/1отит (4.0-4.6). У обоих видов купен процент семенификации высокий: у Р.о<1огаХит от 75.7 до 91.6%, а у Р.тиШАогит - от 86.7 до 89.8%. Процент плодоцветения у Р.ойогагит невысок и колеблется от 35.4 до 47.6%. У Р.тии'фогит он составил в 1987 году 17.4%, а в 1990 - 76.6%. В 1987 году из 100 цветущих особей Р.ти!И/1огит 40 не образовали ни одного зрелого плода. Потенциальная семенная продуктивность Р.ойогаЫт ниже, чем потенциальная семенная продуктивность Р.тиШАогит, так как на генеративном побеге меньше цветков. Фактическая семенная продуктивность низка у обоих видов купен: у Р.ойогагит от 8.8 до 12.5 семян на особь, у Р.ти1Щогит - от 13.7 до 94.5. У Р.ойогаЫт коэффициент семенной продуктивности составил в 1987 году 27.8%, а в 1990 году - 43.6%. У Р.тиНфогит коэффициент семенной продуктивности в 1987 году ниже - 15.5% из-за низкого процента

плодоцветения, а в 1990 году выше - 68.7%. Таким образом, коэффициент семенной продуктивности невысок у обоих видов купен, но семенное и вегетативное размножение обеспечивают сохранение популяций.

Изучение репродуктивной биологии девяти декоративных видов растений Предуралья позволяет рекомендовать меры охраны их популяций:

1. Поддержание оптимальной численности популяций, путем устранения антропогенного воздействия (вытаптывания, сбора цветущих растений, выкапывания луковиц). Рекомендуется более жесткое соблюдение режима заказности на территории заказника "Предуралье", в первую очередь снижение рекреационной нагрузки и запрещение скалолазания.

2. Для сохранения видов с невысокой (С.гМипсН/оНа) и сокращающейся семенной продуктивностью (L.martagori) и охраны мест гнездования насекомых-опылителей рекомендуется создание микрозаказников около камней Ермак (II и 12 кварталы) и Межевого (13 квартал).

3. Для сохранения растительных сообществ, в состав которых входят изученные виды, исследовать причины заболеваний, разработать и осуществить санитарные меры в липовом лесу на левом коренном берегу реки Сылва (49 квартал) и на правом коренном берегу реки на водоразделе (15 и 29 кварталы).

4. Рекомендовать Пермскому областному комитету охраны природы рассмотреть вопрос о внесении С.гоШп<Н/оИа в число охраняемых растений Пермской области с категорией угрожаемого состояния 3 (И), редкий вид; перенести Ь.тагШ^оп в другую категорию угрожаемого состояния - 2 (V), уязвимое.

5. В целях сохранения генофонда декоративных дикорастущих растений Предуралья рекомендуется ввести их в культуру в места с благоприятными условиями для прохождения полного жизненного цикла, что будет способствовать сохранению видов.

ВЫВОДЫ

1. Продолжительность цветения популяций колокольчиковых и лилии кудреватой обеспечивает декоративность в течение длительного времени. Купены декоративны как в период цветения, так и в период плодоношения. Для колокольчиковых и купен установлен дневной, а для лилии кудреватой предполудепньш типы раскрывания цветков.

2. Колокольчиковые и купены являются преимущественно перекрестно опыляемыми растениями. Вместе с тем эти виды обладают способностью к самоопылению при сохранении пыльцы в цветке. У колокольчиковых терекрестное опыление обеспечивается протерандрией, структурными особенностями цветка и несовместимостью пыльцы и рыльца при самоопылении, то есть мы наблюдаем поликомпонентность системы опыления в понимании В.А.Верещагиной (1980). У лилии кудреватой возможны самоопыление, перекрестное опыление и апомиксис. Таким

образом, изученные виды характеризуются лабильностью опыления (по Н.В.Первухиной, 1970).

3. Эмбриологическое изучение шести видов колокольчиковых показало, что существенных нарушений в развитии генеративной сферы нет. Сформированная стенка пыльника четырехслойна, состоит из эпидермиса, двуслойного эндотеция, эфемерного среднего слоя и однослойного секреторного двуядерного тапеггума. Образование тетрад микроспор происходит по симультанному типу, расположение микроспор в тетрадах изобилатеральное или тетраэдрическое. Зрелые пыльцевые зерна двукле-точные. Семяпочка колокольчиковых анатропная, тенуинуцеллятная, одно-покровная. Зародышевый мешок моноспорический, Ро1у§опит-типа. Сформированный зародышевый мешок пятиядерный, четырехклеточный, антиподы эфемерны. У трех видов колокольчиков отмечено наличие в синер-гидах нитчатого аппарата. Двойное оплодотворение происходит в условиях Предуралья на третьи сутки. Эндосперм клеточный. Зародыш развивается по 8о1апас1-типу.

4. У всех изученных видов пыльца высоко фертильна, что обеспечивает успешное опыление и оплодотворение. Незначительное количество стерильных пыльцевых зерен не влияет существенно на эти процессы.

5. Фертилъность семяпочек, определенная в только что раскрывшихся цветках, составила у L.maтtagon 80%, у Р.ойотаЫт 87%; у колокольчиков она колебалась от 71% до 83%. Установлены основные нарушения в развитии женского гаметофита колокольчиков: нарушение синтеза крахмала, отсутствие дегенерации эпидермиса нуцеллуса, морфологическая неполноценность зародышевых мешков и семяпочек. По нашему мнению, эмбриологическая гетерогенность семяпочек снижает семенную продуктивность, особенно у колокольчиков.

6. У L.martagon женский гамеггофит отстает в своем развитии от мужского, но рыльце в только что раскрывшемся цветке способно воспринимать пыльцу. Зародышевый мешок формируется через 2-3 суток после раскрывания цветка. Двойное оплодотворение отмечено на* четвертые сутки после опыления, когда пыльцевые трубки, прорастая через столбик, достигают семяпочек.

7. У всех девяти изученных видов полноценных семян достаточно для семенного возобновления. Исключением является С.гоШпсИ/оИа, у которого на генеративном побеге образуется не более 19.4 семян. Лабораторная всхожесть семян снижается при хранении. У L.martagon в первый год хранения она составила 85%, во второй - 75%. У колокольчиковых в первый год хранения она не превышала 9%, а во второй составила лишь 1%.

8. Семенное размножение обеспечивает сохранение популяций семи из девяти изученных декоративных дикорастущих видов растений. У С.гоЫп-сИ/оНа количество полноценных семян весьма ограничено. У L.maтtagon невысокая семенная продуктивность и нарушения периодичности плодоношения, вызванные погодными условиями, вредителями, болезнями,

снижают эффективность семенного размножения. Для этих двух видов необходимы особые меры охраны.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Семенная продуктивность некоторых редких и исчезающих видов лилейных // Исследования молодых ученых в области химии и биологии: Тезисы докладов межвузовской конференции молодых ученых. - Пермь, 1988.-С. 26-27.

2. К антэкологии купены душистой // Ботанические исследования на Урале: Информационные материалы. - Свердловск, 1990. - С. 12.

3. Изучение репродуктивной биологии редких видов растений Урала // Содержание и формы экологического образования в педагогическом вузе: Тезисы 2 республиканского совещания-семинара. Часть 2. - Пермь, 1990. - С.

4. К изучению репродуктивной биологии лилии кудреватой и купены душистой // Репродуктивная биология интродуцированных растений: Тезисы докладов IX Всесоюзного совещания по семеноведению интродуцентов. - Умань, 1991. - С. 26.

5. К изучению репродуктивной биологии колокольчика персико-листного // Труды IV Молодеж. конференции ботаников С-Петербурга, май 1992 / Часть 2. Структурная ботаника (морфология, анатомия и эмбриология). Палеоботаника / БИН РАН. - Санкт-Петербург, 1992. - С. 29 -36. Рукопись деп. в ВИНИТИ 10.06.93. N 1622-В93.

6. Охрана генофонда дикорастущих декоративных растений Преду-ралья II Охраняемые природные территории. Проблемы выявления, исследования, организации систем: Тезисы докладов межвузовской научной конференции. Часть II / Пермский университет. - Пермь, 1994. - С. 8 - 10 (совм. с В.А. Верещагиной).

7. Репродуктивная биология колокольчиковых // Вестник Пермского университета. Биология. - 1995. - Вып. 1. - С. 28 - 36.

8. Ботанический сад Пермского университета и его место в системе экологического воспитания // Экология и охрана окружающей среды: Тезисы докладов 2 Международной научно-практической конференции. -Пермь, 1995. - Часть V. - С. 80 - 81 (совм. с С.А. Овесновым).

9. Репродуктивная биология колокольчиковых Предуралья // Механизмы поддержания биологического разнообразия: Материалы конфернции. - Екатеринбург, 1995. - С. 18-20.

104-105.

Подписано в печать 20.Y2-.bS формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. о,<г>з> Тираж юо экз. закзг 1Ъ . 614600, г.Пермь, ул. Букирева, 15. Типография ПГУ.