Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ ОХРАНЯЕМЫХ МНОГОЛЕТНИХ МАКОВ, ИНТРОДУЦИРОВАННЫХ В ПРИКАМЬЕ

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ ОХРАНЯЕМЫХ МНОГОЛЕТНИХ МАКОВ, ИНТРОДУЦИРОВАННЫХ В ПРИКАМЬЕ"

•я-змм

На правах рукописи

ДАНИЛОВА Мария Александровна

РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ ОХРАНЯЕМЫХ МНОГОЛЕТНИХ МАКОВ, ИНТРОДУ ЦИ РОВА НН Ы X В ПРИКАМЬЕ

03.00.05-ботаника

Автореферат диссертаиии на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Пермь 2003

Работа выполнена на кафедре ботаники и генетики растений Пермского государственного университета

Научный руководитель: локтор биологических наук, профессор Валентина Александровна Верещагина

Официальные оппоненты:

Л-б.п., с.н.с Васильева Ольга Юрьевна

к. б. п., доцент Шкараба Екатерина Михайлов на

Ведущая организация: Ботанический сад УрО РАН, г. Екатеринбург

Защита состоится к » декабря 2003 г. в 15.15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 в ауд. 927, корп. I Пермского государственного университета, по адресу 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан ноября 2003 г.

Ученый секретарь ;)г г <■совета, к.б.н., доиепт

Новоселова Л.В.

ОКЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Представители рода Papaver издавна привлекали вниманий человека как декоративные, лекарственные и масличные растения. Этот род объединяет более ста видов, большей частью распространенных в умеренно il тоне, и том числе, на Кавказе, л Средней Азии н Арктике. В культуре наиболее известен Papaver somniferum. - мак снотворный или опийный, который используется как фармакопейное и масличное растеиие. Некоторые маки, например P. orientait: и Р, dpinum выращиваются как декоративные растения (Морозова, 1980).

Мак нриивегниковый является эндемиком Северного Кавказа, его ареал, изначально небольшой, сильно сократился в последние голы (Попов, 1937; Г&тушко, 1975; Гриценко, 19К6). Сейчас тот вил находится под угрозой исчезновения (Середин, 1981; Денисова, 1984; Михеев, 1988; Варлыгнна и др., 2001)) вследствие интенсивного истребления человеком. Одним из способов сохранения редких видов является их интродукция в ботанические сады, где создаются коллекции, призванные максимально отразить внутривидовое pasHoofipajiie (Тарасенко, 1983, 1991). Поэтому интродукция /'. ЬгаШаШт может стать действенной н необходимой мерой по его сохранению (Андреев, Головкин, 1078; Смирнов, 1995); исследования данною редкого вида с этих позиций актуальны.

Целью нашего исследования было изучение репродуктивной биологии исчезающею вида Л bracteatum, чтобы установить возможности и закономерности er« семенного размножения в условиях ннтродукшш. Для сравнительного анализа был избран близкий ему вид P. orientale, с более длительной историей интродукции.

Основные задачи исследования:

1. Морфология цветка, особенности опыления и фенология мака принестиикового и мака восточного в условиях интродукции.

2. Сравнительное эм«рполос ичсское изучение мака при цветникового и мака восточного.

3. Исследование семенной продуктивности обоих видов.

4. На основе полученных данных оценить возможность нигролу кии и Р. Ьгас(сЫит в условиях Прикамья.

Научная новизна. В современной медицине активно используются алкалоиды, содержащиеся в млечном соке маков. В 1972 г. началась разработка межд> народного проекта «Научные исследования видов рода Papaver как источников кодеина, морфина и гебаииа (Scientific Research on Papaver Species as a source о Г Codeine, Morphine and Ihebaine)«. Этот проект предполагал проведение

исследокшнй видов рада Papaver в области биохимии, эколоиш, репродуктивной бнолопш, генетики, а также прикладных исследований в области селекции и агротехники (Levy et ab, 1979). В свет« этого проекта пристальное внимание вызвали маки из секции Oxytona, включая Р. bracteatum Lind), и /'. orientale L., которые могут служить источником алкалоидов (Neubauer, Mothes, 1963; Hodges, Нош, Rapopon, 1977; Boehm, 1981; McNicbolas, Martin, 1984).

Концентрация внимания на фармакопейной помост» вило» обусловила преимущественно биохимический и физиологический характер исследований, посвященных маку при нветни ко вому. Остались в стороне вопросы репродуктивной биология, как основа ингродукцик « селекции.

Нами впервые научен M фенология, цветение и опыление мака пртшетннкоиого и мака восточного, включая суточную динамику цветения. Получены данные по внутривцловой и внутрисекционной изменчивости. Впервые исследована эмбриология данных видов. Определена фертилвность пыльцы. Изучена семенная продуктивность с помощью модифицированной нами методики и всхожесть производимых семян. Дана оценка вотаожносш интродукции Р. bractcütum в условиях Прикамья.

Теоретическая п практическая ценность работы. Данные по внутри видовой и внутрисекционной изменчивости касаются полиморфизма цветков и плодов и представляют ценность для селекиии млсокодекорагивных сортов мака прицветникового и мака восточного. Полученные новые данные по эмбриологии дополняют эмбриологическую характеристику семейства Papavcrcceae. Это касается развития пыльника, микроспор и мужского гамет офита; выявлены особенноеш развития стенки тема пыльника, микроспор и пыльны, определена фертильность пыльцы.

Результаты исследования могут быть использованы в исследованиях, связанных с селекцией и иитродукиией мака прннве! пикового и мака восточного. Данные по семенной продуктивности этих видов мшут быть полезны при расширении области их культивирования.

Основные положения, выдвигаемые для зашиты:

1. Р. bracteatum и Р, orientale обладают значительным полиморфизмом цветков, который выражается в варьировании числа элементов околоцветника, характере опушения чашелистиков, окраске н размерах лепестков, числе плодолистиков. Оба вила обладают устойчивым феноспектром.

2. Развитие стемки гнезда пыльника, образование микроспор и мужского 1-аметофита, за исключением ряда аномалий, соогветствует схеме, описанной для других родов и видов семейстра Papaveraceac. Ферталыюсть пыльны у Р. bracteatum обеспечивает образование нормальных ссмяи, хотя степень

s

фертильности пыльцы у P. bracteatum значительно нитке, чем у Р. orientale. Развитие семяпочки и зародышевого мешка проходит без значимых отклонений.

3. Оба исследованных вила продуцируют всхожие семена. В одной коробочке P. bracteatum при свободном опылении, в среднем, формируется 2609+247 семян. У P. orientale среднее число семян в коробочке - 992±157.

4. Интродукция P. orientale и P. bracteatum в условиях Прикамья успешна, о чем свидетельству кит устойчивые феноспектры, высокая семенная продуктивность и самосев.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации доложены на конференциях «{проблемы глобальной и региональной экологии» (2003, г. Екатеринбург), «Экология. Проблемы и пути развития» (2003, г, Пермь) и «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (2003, г. Санкт-Петербург). По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, б глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 93 страницах текста и включает 30 таблиц и 45 рисунков. Список использованной литературы включает 128 источников, в том числе 55 на иностранных языках. Общий объем работы 124 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1. Обзор литературы

Обзор литературы состоит из 4 разделов, В разделе 1 рассматриваются распространение,' экология, систематическое положение и алкалоидный состав объектов исследования. Отмечено, что P. bracteatum имеет статус исчезающего вида (Середин, 1981, Денисова, 1984, Михеев, 1988, Варлыпша и др., 2000). Содержание тебаина и оринавина обусловливает значительную фармакопейную иешюстъ как P. bracteatum, так и P. orientale (Neubauer, Mothes, 1963, Hodges, Иогп, Rapoport, 1977, Boehm, 1981, McNicholas, Martin, 1984).

В разделе 2 рассматриваются особенности цветения, опыления и эмбриологии Р, bracteaîum и P. orientale и родственных видов. Отмечается фрагментарность данных, касающихся цветения и опыления исследованных видов. Эмбриологических исследований данных видов ранее не проводилось. Для рола Papaver характерно перекрестное опыление, энтомофилия, но встречается и самоопыление. Для некоторых видов этого рода известна само несовместим ость.

Раздел 3 охватывает историю внутрисекиионной гибридизации P. bracteatum и P. orientale. Описаны различные результаты вариантов реципрокных скрешившшй. На основе этих данных авторы делают предположении об ат ополи алой дном происхождении видов секции Oxytona.

Раздел 4 посвящен интродукции P. bracteatum и A orientale. Мак прицветников» К в л редш ест ку юшие годы был интродуцирован в ряд ботанических садов. Ню интродукция была успешной не во всех случаях, тем не менее, он показал себя как вид, приспособленный к достаточно широкому спектру условий.

I'лава 2. Место, материалы и методы исследования

Исследования проводились на базе Ботанического сада Пермского государственного университета и опытного участка в Пермском районе в 2001 -2003 гг. В коллекцию входили рсстення мака восточного, выращенного из семян месшой репродукции, а также растения, выращенные из семян, полученных из Днжона (Франция), Бэйройта (Германия) и Йошкар-Олы (Россия). Мак при цвети и ко вый был нырашеп m семян, полученных ог фирмы 'Гомсон и Морган (Великобритания), Ботанического сада Панси (Франция), Ботанического сада Варшавского университета (Польша), Ботанического сада университета имени Мартина Лютера в Халде (Германия). В настоящее время под наблюдением находится 122 растения P. bracteatum и 74 растения P. orientale, включая растения первою юда жизни. Семена высаживались на делянках 1 м3. Сроки посева варьировали ог первой до третьей декады мая.

Наблюдения за состоянием интродуцентов велись по схеме, разработанной к 1"КС ЛН СССР (Быдов, 1986). Наблюдения за состоянием цветка, ходом ношения и опыления проводили«, но общепринятой методике (Пономарев, I960; Novak, Gaudnïk, 19Я2). По полученным данным были составлены феноспектры (Бейдеман, 1974). Насскомые-опылитсли отлавливались во время нахождения на цветке полиэтиленовым пакетом.

Эмбриологические исследования велись на временных и постоянных препаратах. Целые бутоны, пыльники и завязи цветков фиксировались в уксусном алкоголе (3;1). Для изучения развития женской генеративной сферы у Р. bractcatum проводилась темпоральная фиксация завязей, начиная с момента раскрытия цветка.

Постоянные препараты окрашивались гематоксилином по Гейден гайку и по Фелыену с холодным гидролизом (Прозина, 1960). Фертильность пыльны определялась на ьрсменных ацетокармиповых препаратах (Паушсва, 1980).

Проращинание пыльны проводилось в камерах Ван-Тигсма (Паушева, 1980). Подсчет хромосом проводился на давленых препаратах корешков проростков, окрашенных аиетокармином (Паушева, 1980) н по Фёлъгену (Жукова, 1986).

При определении семенной продуктивности мы взяли за основу методику Т.Л. Работн ова (1960). Методика била модифицирована нами с учетом особенностей изучаемых видов. Для подсчета семенной продуктивности срезались буреющие коробочки с eme замкнутыми отверстиями, через которые впоследствии высыпаются семена. В это время большинство коробочек содержат семена коричневою цвета, которые уже являются всхожими. Большую часть выборки составили мелкие коробочки, доля крупных составила 10%. Из коробочки тщательно вытряхивались и вычитались все ссмснк и. зрелые, выполненные, tt щуплые. Путем взвешивания tía аналитических весах определялась масса всех семян на одну коробочку. Затем из згой массы семян брались отдельные навески: 10 навесок выполненных семян, 10 навесок щуплых семян и 10 смешанных навесок, которые случайным образом выбирались из всего содержимого коробочки. Но этим навескам высчитывалась средняя масса выполненною семени, средняя масса щуплого семени и соо тошен не между выполненными и щуплыми семенами в одной коробочке. Всею было взято 33 коробочки P. orientale к 26 коробочек P. bractcatum. Малый обьем выборки обусловлен ограниченным числом растений в коллекции.

Для оценки эффективности модифицированной методики мы подсчитывали потенциальную и фактическую семенную продуктивность P. bractcatum и Р. orientale путем непосредственного пересчета семяпочек в завязях сразу после отцветания цветка и семян в коробочках посте их созревания.

Семенная продуктивность оценивалась по классификации И.В. Вайнагня (1977).

Для получения гибридных семян ставились реципрокные скрещивания: А orientale х P. bractcatum, P. bractcatum х P. orientale.

s

Для характеристики качества семян была определена их лабораторная и нолевая всхожесть. Лабораторная всхожесть для каждого вила определялась по общепринятой методике в чешрехкратной новторности по 100 семян (ГОСТ 20290-74,1987).

Полученные данные с i an ¡ста1чески обрабатывались с вычислением стандартных параметров (Зайцев, 1984; Боровиков, 2001), Оценка состояния интрсиуцентов велась по классификации И.Л Базилевской (1964).

Рисунки сделаны с помощью микроскопов «Бнолам», «Ed u val» и «МЛ» к рисовального аппарата РА-7 и РЛ-4 при разном увеличении.

Глава 3. Фенол о nie. Посте nue и опыление мака принести нково го н мака восточного

Вегетация мака ирицветннкового начинается и конце апреля - начале мая, п -зависимости от времени схода снега. В 200) и 2003 годах вегетация началась в третью лекалу апреля, в 2002 г. - в первую декаду мая. Первыми начинают вегетацию наиболее развитые растения, образуя при корневую розетку густо опушенных листьев. Выдвижение бутонов начинается, когда в листовой розетке мака прицветниковою насчитывается, в среднем, 5,74^0,34 листьев. Для мака восточного число листьев в розетке в среднем составляет 7,17+0,31. Бутонизация происходит в конце мая - начхте июня. В 2001 юлу начало бутонизации Р. Ьгасиatum отмечено 15 мая, в2002 году 14 мая, а в 2003 году-9 мая.

Бутонизация P. orientale происходит в близкие сроки. Так в 2001 году она началась 17 мая, в 2002 году - 13 мая, а в 2003 году — 10 мая. Выдвижение бутонов у обоих видов длится две - три недели. Бутонизация - довольно длительный период в цикле развития маков из секции Oxy lotta. В среднем, ока продолжается 35,7 дня, при неблагоприятных условиях возможно удлинение этого периода.

Сроки начала цветения варьируют. В 2001 году Л bracteatum начал цвести 13 июня, в 2002 году цветение началось значительно позже: 22 июня, л в 2003 году, начало цветения почти совпало с 2001 годом - 14 июня. Продолжительность периода цветения примерно одинакова: 15 дней в 2002 году и 14 дней в 2003 юду. Л orientale и 2001 году зацвел 11 июня, в 2002 году - 2) июня, а и 2003 году - 9 нюня. Продолжительность периода цветения по годам не одинакова: 12 дней в 2002 г. и 21 лень в 2003 году.

Таким обраюм, продолжительность цветения, в среднем, составляет две мелели. Единичные ииехки могут распускаться вплоть до сентября.

Продолжительность цветения одного цветка составляет от одного до девяти днеЛ, посте чего растение входит в фазу плодоношения, В начале периода 1ше1сния распускаю гея более крупные цвежи, продолжительность их цветения дольше. Основная масса цветков распускается рано утром с 5.30 до 9.30, единичные цветки раскрываются до 12 часов дня. Пик распускания приходится па

период с 6.30 до 7.30, Начиная с 17 часов, до 19 часов вечера лепестки цветков смыкаются.

По нашим наблюдениям, как для мака при цветникового, так и для мака восточного, характерно опыление с участием насекомых. Значительную часть насскомых-онылнтслсй составляют представители отряда Перепончатокрылые Шугкспор(сга), в основном, Apis mcllifera и виды m рода Halicius и Hombus. Из отряда Двукрылые (Dipicra) часто наблюдается Syrphus grossulariae - сирф крыжовн и KOfibi й.

Семена созревают в конце июля - начале августа. Визуально у обоих видов это характеризуется как легкое нобурсние к подсыхание коробочки, принести их листьев н цветоноса. При созревании семян лучи коробочки поднимаются, образуя отверстия, в которые высыпаются семена. В 2002 году расссивание семян у обоих видов началось I — 5 августа, в 2003 году у мака восточного - 21 июля, а у мака при цветникового - 28 июля.

Ко времени высыпания семян основная часть прикорневых листьев отмирает, затем начинается вторичный рост прикорневых листьев, вегетация после цветения продолжается до ухода под снег.

Таким образом, феноспектр обоих изученных видов устойчив. Незначительные колебания в сроках зависят от конкретных температурных условий года: чем теплее весна, тем раньше начинаются бутонизация н цветение. Как считает Т.В. I Пульки ма (1987), стойкость фен од отческого спектра является одним из критериев успешной интродукции вида. Календарное смешение фаз не является изменением ритма развития растения п егтлнчие от изменения порядка них фаз. Анализ феноспектра покамвает, что два многолетних вида рода Pupaviт, и новых для себя экологических условиях сохраняют порядок фаз, которые практически совпадают.

P. bractcatum и P. orientale имеют крупные цветки, расположенные по одному на длинных цветоносах. Цветок имеет два-три чашелистика и ог четырех до шести лепестков. Чашелистики несут iустое опушение, которое незначительно варьирует. Опушение чашелистиков у P. bractcatum обычно прижатое. Окраска его можег быть белой, желтой или вишневой. Вишнево-окрашенные щетинки располагаются первоначально только в верхней части чашелистиков, но но мере развития бутона и нижележащие щетинки приобретают вишневую окраску.

Кроме цветков с двумя нормальными чашелистиками встречались цветки с тремя чашелистиками, при этом третий чашелистик иногда был меньше других, иногда су же и и дугообразно искривлен. По нашим наблюдениям, цветки, имеютие два чашелистика, как правило, имеют четыре лепестка, а цветки с тремя чашелистиками — шесть лепестков (табл. I ). В единичных случаях цветки с тремя чашелистиками имеют пять, семь или восемь лепестков, а цветки с двумя чашелистиками имеют пять пли шесть лепестков. Наличие форм с большим числом лепестков позволяет предположить возможность появления ценных для селекции махровых форм, известных для других маков.

Таблица 1

Связь между числом чашелистиков и числом лепестков у Р. ЬгаМеашт и Р.

Вид Число чашелистиков/лепестков. %

З/б 3/5 2/6 2/5 2/4

Р. Ьгас1еа1ит, п 43 50,00 11,54 0 3.85 34,61

Р. опегиЫе, п =« 50 46,67 16.67 3,33 10 23,33

У большинства растения лепестки имеют 8 основании темно-фиолетовое, почти черное пятно. Однако наблюдаются и переходные формы: от четкого, крупного и темного пятна, до его следов (штрихов) на внешних лепестках и полного отсутствия пятка на лепестках.

Тычинки несут фиолетовые пыльники, тычиночная нить в верхней части, примыкающей к. связнику, несколько уголшена. Нами обнаружены единичные растения Р. Ьгааеа/ит, имеющие желтые и голубые пыльники; большая часть пыльцы в таких пыльниках была стерильной, фертильность составила 2,81+0,29%. Рыльне пестика, в норме фиолетово-окрашенное, также имело голубой или желтый цвет. Этот признак сопровождается отсутствием пятна на лепестках.

Глава 4. Эмбриологам мака прицветошкового и мака восточного

Пыльники Р. Ьгасиатт четырехшездные, гнезда попарно объединены в две теки (рис. 18).

На поперечных срезах гнезда пыльника остаются округлыми на протяжении всего периода развития. Иногда гнезда пыльника сильно деформированы. Такие нылышш мы наблодали на препаратах Р. Ьгас1сашт, При этом все слои стсики пыльника сохраняются.

Стенка пыльника Р. Ьгааеашг состоит из 5 слоев: эпидермиса, эндотеция, двух средних слоен и тапетума (рис. 19).

Радагтие стенки пыльннгсз идет по типу однодольных, центростремительно. На ранних стадиях развития стенка пыльника педифференцнропана, все клетки изодиаметричоские, заполненные густой цитоплазмой. Самый внутренний слой стсики нылмшка - тапетум. Клетки тапетума крупные, таблитчатые, на ранних стадиях - изоднаметричсскнс, тюлю прилегающие к микроспороцитам. Ядра клею к тапетума делятся митотически без ииюкииеза, вследствие чего клетки становятся двуядерными - еще на стадии микроспороцнтов. Развитие тапетума идет но секреторному типу, его клетки сильно увеличиваются, и содержат два или четыре крупных ядра. Обычно лизис тапетума начинается на стадии тетрад микроспор и завершается ко времени вскрываиия пылышка.

Мы наблюдали в некоторых пыльниках Р. ЬгасКашт раннюю дегенерацию тапетума - еще до начала мейоза в микроспороцитах. Такое поведение тапетума

является аномальным и, возможно, является одной из причин снижения фертнльностн пыльцы.

Дисфункция галетума вследствие его раннего лизиса может быть и причиной длительного сохранения средних слоев, так как клетки талетума, будучи физиологически активными, ассимилируют клетей средних слоев по мере их развития. Причины преждевременной дегенерации талетума не ясны. Средних слоев два. В семействе Papmvraceae они описаны как эфемерные (Ильина, 1981), дегенерирующие к моменту раскрытия пыльника. Мы наблюдали неодновременную дегенерацию средних слоев стенки пыльника. Оба средних слоя обнаруживались до стадии одноклеточных пыльцевых зерен.

Первым разрушается внутренний средний стой, прилегающий к тапетуму. В норме это происходит на спили высвобождения микроспор и одноклеточной пыльцы.

Внешний средний слой сохраняется до формирования двуклеточных пыльцевых зерен н лаже обнаруживается затем во вскрывшемся пыльнике.

Эндогспий остается недифференцированным до стадии одноклеточной пыльны. Его клетки на ранних стадиях развития стенки пылышка практически не отличаются от клеток других слоев стенки пыльника. Фиброзные утолщения образуются не ранее стадии обособления микроспор и формирования одноклеточных пыльцевых зерен. Клетки при этом сильно вытягиваются в тангектальном направлении. В последующем пыльники вскрываются продольно, экстрорзно.

Клетки эпидермиса на раинах стадиях развития нзодиаметрическис и заполнены lycroft цитоплазмой. По мере роста пыльника клетки эпидермиса вакуолизируются, растягиваются и уплощаются. На ногтних стадиях развития они становятся очень крупными, на их поверхности образуется моишая кутикула. Ядра в клетках эпидермиса сохраняются на всех этапах развития.

Развитие пыльника у P. orientale и Р, bractcaium протекает сходно н опережает развитие семяпочек, стенка пыльника уже полностью сформирована в бутонах диаметром 3-5 мм. Это стадия, когда происходит начало роста цветоноса и выдвижение бутонов. Стенка зрелого вскрывающегося пыльника у мака восточного и мака прииветниковою состоит, в норме, из двух слоев: кутиннзиропанного эпидермиса и фиброзного слоя.

Микросиороциты формируются после ряда митотических делений спорогенных клеток. Ото крупные, изодиаметрнческне клетки. Их цитоплазма очень густая и выглядит темно-окрашенной. Ялра крупные, отчетливо видно ядрышко, часто ял pu тек бывает несколько. Параллельно с митотическим делением ядер клеток талетума микроспороциты вступают в мейоэ. При этом их размеры, как и размеры ядер, увеличиваются. Начиная с метафазы первого деления мейоза, вокруг них отклальшается каллоза. Калл о тая оболочка постепенно утолщается, достигая максимума развития на стадии тетрад микроспор. На этой стадии микроспоры одеты обшей каллозной оболочкой. При

анализе метафазпых и анафазных пластинок мы обнаружили, что у /'. bracteatum наблюдалось отставание хромосом при их расхождении к полюсам клетки в анафазе I мейоза. Других аномалий в протекании мейоза не отмечено. Единичные случаи нарушения мейоза не могут существенно влиять на показатель фсртильности пыльцы.

Мы наблюдали теграэдрические н, реже, и зобилатеральные тетрады микроспор. После высвобождения микроспоры округляются и увеличиваются в размерах. О них появляются крупные вакуоли. Микроспора превращается в одноклеточное пыльцевое зерно. Ядро при этом оттесняется к периферии клетки.

. После мтогического деления ядра образуется двуклеточная пыльца. Генеративная клетка линзообразной формы имеет густую, тем но-окра] пенную цитоплазму. Ядро генеративной клетки меньше ядра вегсташвмой клетки и но сравнению с ним содержит больше хроматина. Ялрышко различимо слабо. Ядро вегетативной клетки напротив крупное с хорошо различимым, крупным ядрышком. Зрелая пыльца обнаруживается за два — три дня до раскрытия цветка. Во вскрывшихся пыльниках как /'. bracteatum, так и P. orientate, отмечены также единичные трехклеточные лыльиевые зерна.

По нашим данным, фертильность пыльцы у P. orientate составила 88,87+0,85%. Фертильность пыльцы у Л bracteatum составила 14,88+2,73%. Очень низкая фертильность пыльцы обнаружена нами у образцов P. bracteatum с голубыми и желтыми пыльниками. Она составляет 2,81 ¿0,29%. Мы нратпатагаем, что подобная окраска пыльников является проявлением мутации, которая может служить диагностическим признаком стерильности; наличие такого признака очень важно при создании селекционных схем.

Форма стерильной пыльцы разнообразна. Во-первых, наблюдаются нсразошедшнеся тетрады микроспор с частично илн полностью дегенерировавшим содержимым (только оболочки клеток). Во-вторых, отмечены сильно деформированные одноклеточные пыльцевые зерна. Наконец, мы наблюдали верст еновидиые безъядерные пыльцевые зерна.

Таким образом, развитие стенки пыльника, микрослорогенез и развитие пыльцевых зерен у родственных видов P. orientate и P. bracteatum практически одинаковы. Отличия наблюдаются в фсртильности пыльцы. Было установлено, что отклонения в развитии пыльника единичны, а фертильность пыльны высока.

Все представители рода Papaver имеют паракарнный, полимерный гинецей (Морозова, 1980). Такой гинецей является олног нездкым, у маков сгонка завязи несет многочисленные выступы, направленные внутрь тнеала, на которых располагаются семяпочки. Число выступов равно числу лучей диска рыльца и, по-видимому, соответствует числу плодолистиков. Плацентания сутуральная по париетальному тину (Житарь и др., 1995), В норме каждый цветок имеет только одну крупную завязь, но у P. bracteatum в конце августа мы наблюдали образование адвентивных завязей по периферии главной. Эти завязи значительно

мельче и образуют «венчик» вокруг центральной завязи. Семяпочек в них не обнаружено.

Закладка семяпочки начинается с появления бугорка ну цел л уса. Затем закладывается первый, внутренний интегумент, а после - второй. Таким образом, семяпочки исследованных видов битегмаяьные. Внутренний ин тегу мент трехслойный, внешний - двуслойный. Полностью сформированная семяпочка относится к I ем и кам пило гропному типу, по классификации М.И. Савченко (1973). Ну цел лу с слаб» изогиут. В халазадьной части нуцсллуса формируется многоклеточная гипостаза, которая затем разрастается в подиум. Кроме подиума, во круг зародышевого мешка долго сохраняются клетки нуцсллуса.

Архсспориадькая клетка дифференцируется в нуцеллусе очень рано. Она закладывается субзпидермалыю. Мы наблюдали только одну арчеслориальную клетку. На стадии закладки пнгегументов археснориачьная клетка преобразуется и мегаспороцит. У Р. Ьгас!еа1шп обнаружены единичные семяпочки с двумя мегаспороцитами. Мегаспороцит приступает к мейозу после появления обоих и нтегу ментов, в процессе их роста. Тетрада мегаспор линейного типа. Мегаспоры обособляются последовательно. Зародышевый мешок образует хатазалыш мешенора тетрады. У изученных многолетних маков мы наблюдали развитие зародышевого мешка РЫу$опцт-типа. Сначала формируется дву ядерный зародышевый мешок. В пыльниках цветка в этот период времени происходит высвобождение микроспор из оболочки материнской клетки.

Образовавшиеся ядра расходятся по полюсам зародышевого мешка, и в центре формируется вакуоль. После второго митотическою деления образуется четырехядерный зародышевый мешок. В только что раскрывшихся цветках семяпочки содержат, как правило, 2-х или 4-х клеточные зародышевые мешки, которые завершают свое развитие после раскрывания цветка. Возможно, незрелые зародышевые мешки в уже раскрывшемся цветке - это препятствие для самоопыления.

Размгтие зародышевого мешка, как у мака восточного, так и у мака при цветникового, протекает одинаково. Стадия 4-клеточного зародышевого мешка наблюдается в то время, когда в пыльнике уже полностью сформирована стенка жезда, и пыльцевые зерна - дв> клеточные. Сем и клеточный зародышевый мешок дифференцируется и созревает уже в распустившихся цветках. Полное формирование зародышевых мешков у исследованных видов происходит через 12 - 36 часов после распускания цветка. Созревание, дифференциация клеток зародышевого мешка проявляется а увеличении его размеров, преимущественно в продольном направлении, и вакуолизации цитоплазмы. Изменяется состояние, размер и расположение клеток яйцевого аппарата и антипод.

Яйцевой аппарат формируется в микропилярной части зародышевого мешка. Он состоит из яйцеклетки и двух еннергцд. При образовании зародышевого мешка они схожи по <^орме и размерам. В зрелом зародышевом мешке еннергиды, в отличие от яйцеклетки, приобретают плотную, темно-

окрашивающуюся цитоплазму и ваку олизиру югся в той части клетки, которая обращена в полость зародышевою мешка. Яйцеклетка вакуолтоирустся в части клетки, обращенной к микропилс, ядро яйцеклетки несколько крупнее, чем в синсргидах и содержит больше хроматина.

Полярные ядра центральной клетки в недифференцированном зародышевом мешке располагаются н ее центре. Перед оплодотворением они сливаются, образуя центральное ядро, располагающееся в тяже цитоплазмы у апикального конца яйцеклетки.

Главной особенностью зародышевых мешков мака при цветникового и мака восточного яатяется строение и срок жизни антипод. Антиподы располагаются на подиуме, и имеют крупные размеры. По мере развития их размеры возрастают, а цитоплазма яакуолизнруется.

Для большинства цветковых характерна дегенерация шггипод до согревания зароды щепою мешка (Поддубная-Арнольли, 1982). Но у Р. bracteatum и Р. orientale они сохраняются даже после оплодотаорения. По данным литературы, такая картина наблюдается и у других представителей рода Papaver, в частности у Papaver somnifervm (Ильина, Алексеева, Ермаков, 1975). Размеры ядер антипод увеличиваются, происходит политенизация хромосом. Клетки подиума, как и подстилающие их клетки нунеллуса, постепенно дегенерируют, так как антиподы обладают высокой физиологической активностью. Дегенерация антипод у мака при цветникового происходит только на стадии многоклеточною зародыша, через 60 - 72 часа после распускания цветка У P. orientale в отдельных случаях мы наблюдали антиподы через 96 часов после распускания цветка (рис. 42).

Дтя исследованных видов характерна порогам и я. Проникновение пыльпевой трубки в клетку происходит через одну из синергия. Ее содержимое лнзнруется, темнеет. Один из сперм и ев сливается с центральным ядром, давая начало эндосперму- Второй сливается с яйцеклеткой. Оплодотворение происходи в интервале от 32 до 48 часов после раскрывания цветка. Самый ранний, наблюдаемый нами период от раскрывания цветка до оплодотворения составил 23 часа.

Эндосперм изученных видов нуклеариого типа Он опережает зародыш в своем развитии. Зигота приступает к делению через 72 часа после раскрытия цветка после того, как в зародышевом мешке образуется иуклеарный эндосперм.

Первое деление зиготы происходит с образованием поперечной перегородки между клетками. Зародыш формируется из апнкатьной клетки, из базалыюй клетки формируется подвесок. Дифференциация многоклеточного зародыша начинается через #4 часа после распускания цветка Нам не удалось проследить все последовательные стадии деления клеток са и cb и их нроишодкых. В литературе есть сведения о том, что зародыш маковых развивается по Solanad-типу. Полученные нами данные не противоречат этому. Для более определенных выводов относительно типа зародыша необходимы дапьнейшие исследования. В молодых коробочках, возрастом 96 часов уже отмечены многоклеточные

булавовидные зародыши и пуклеарный эндосперм, который остается нуклеарным и при возрасте коробочки 120 часов. Потнее эндосперм реорганизуется в клеточный.

Таким образом, в развитии зародышевых мешков, зародыша и эндосперма мака лрицветникового и мака восточного мы не обнаружили значительных отклонений от хода развития, описанного в литературе, для представителей других видов и родов данного семейства.

Глава 5. Семенная продуктивность мака прицветннкового н мака восточного

Плодоношение - одна из самых длинных фаз в цикле развития P. bracteatum и P. orientale. Плод - коробочка или маковка (Артюшенко, Федоров, 1986) -■завязывается на месте каждого распустившегося цветка, таким образом, коэффициент плодонветения у P. bractcatvm и P. orientale равен 100%. Число цветоносов у одного растения может варьировать ог одного до 16 и зависит от возраста растения.

Семена располагаются на внутренних выступах стснки завязи. Число таких выступов равно числу лучей коробочки. Наряду с полноценными выполненными семенами, как мы указали выше, мы наблюдали щуплые, которые были меньше и легче полноценных семян. Некоторые коробочки вообше не содержали нормально развитых семян, только шуплые. При проверке лабораторной всхожести все щуплые семена оказались невсхожими.

Потенциальная семенная продуктивность у Л bracteatum изменяется в широких пределах и связала с размерами завязи. Ее среднее значение составляет 3335+315 семяпочек на одну завязь. Фактическая семенная продуктивность, определяемая по модифицированной методике, изменяется в пределах от 511 до 4717 выполненных семян на коробочку. Ее среднее значение равно 2609+247 (табл. 2). Коэффициент ссмепификании у данного вила, в среднем, составил 78,26%, чю по оценке И.В. Вайнагия (1977), соответствует четырем баллам из возможных пяти, которые может получить интродуиент при оценке соответствия его природы условиям интродукнии.

Таблица 2

Потенциальная и фактическая семенная продуктивность исследованных видов при свободном опылении (2002 — 2003 гг.)

Вил Семенная продуктивность, нгг. ФСП/ПСП cv, % Т

Потенциальная (ПСП) Фактическая (ФСП)

P.bracteatum, п = 26 3335+315 2609+247 78,26+2,75 48.26 10,57

P. orientale, п « 33 4125+552 992+157 24,04+3,44 90,82 6,33

На образцах мака восточного мы провелн сравнение модифицированной и общепринятой {Работнов, 1960) методик подсчета семенной продуктивности. При непосредствен ном пересчете семяпочек в завязи самые маленькие завязи содержали 3800 семяпочек, а самые большие - 15700 семяпочек. Среднее значение потенциальной семенной продуктивности, определяемой с помощью общепринятой методики- 5566,60+1136,14. Это значение сопоставимо со средним значением потенциальной семенной продуктивности, полученном нами с помощью модифицированной методики. Ошибка разности между этими показателями свидетельствует о том, что разница между ними недостоверна (t « 1,55). Таким образом, предложенная нами методика достаточно чувствительна и может быть использована для видов с очень большим количеством семян в плодах.

В результате самоопыления в наших опытах было получено шесть коробочек P. bracteatwn. Из них стерильными были две. Фактическая семенная продуктивность при самоопылении (244±70) значительно ниже, чем при свободном опылении (2609+247), это отличие достоверно (t = 24,92). Искусственное самоопыление цветков мака восточного дало отрицательный результат. Коробочки P. orientale, полученные в результате самоопыления, были полностью стерильны к содержали исключительно щуплые семена. Опыты по самоопылению P. orientale проводились в течение трех сезонов на растениях различного возраста и происхождения, но результат во всех случаях был отрицательным. Мы можем предположить у P. orientale существование сам он ссов мести м ости, которая встречается у некоторых видов рода Papaver. У Papaver rhoeas отмечается гомоморфная гаметофитная самонесовместимость, контролируемая мул ьтиалдельным S-геном (Lawrence, O'Donnell, 1981). Л, Ojala et al,. (1990) получили семена P. orientale в результате самоопыления, В качестве одной из причин, снижающих вероятность самоопыления у представителей рода Papaver, они указывают слишком короткие тычиночные нити, которые

препятствуют попаданию пыльны на рыльце, Наконец, у родственного вида Papaver paucijblíatum (Trautv.) Feddc отмечена резко выраженная протерандрия, которая полностью исключает самоопыление {Житарь и др., 1995).

В целом полученные данные позволяют утверждать, что семейная проективность и н гроду и про пан н ы \ видов мака припветпикового и мака восточного, лаже если принимать во внимание только ее минимальные показатели, вполне достаточна для семенного возобновления этих видов в условиях интродукции в Прикамье. Семенная продуктивность исследованных видов при самоопылении требует специального изучения. Причины снижения семенной продуктивности при самоопылении могут заключаться в полной или частичной самой eco вместимости; нельзя исключать при этом и протерпи дрию.

Большая часть семян, производимых Р. bractcatum и Р. oriéntate, является всхожей. В описываемых ниже опытах оцениваюсь всхожесть только выполненных семян, щуплые семена тщательно отсеивались. Щуплые семена были абсолютно невсхожими у обоих видов и их смешивание с выполненными семенами существенно снижает достоверность результатов. При изучении лабораторной всхожести семян первые единичные проростки появлялись уже на «торой день. Массовое прорастание семян начиналось на третий день. Полученные данные говорят о том, что средняя лабораторная всхожесть семян обоих видов высока (табл. 3).

Таблица 3

Средняя лабораторная всхожесть и энергия прорастал i и я для исследованных видов

Вед Средняя всхожесть, % Коэффициент вариации, % Средняя энергия прорастания. Го Коэффициент вариации, %

P.bracteatum 97,75±0,25 0,5 Ï 97,00+0,71 1,46

P. orientale 96.25¿0,63 1.31 95.00+0.71 1,49

Динамика прорастания семян P. bractciUum и Р, orientale практически одинакова.

Полевая всхожесть семян P. bracteatum и P. orientale существенно ниже лабораторной всхожести. У обоих видов первые всходы появлялись на 8 день после посева семян, последние — на 15 день. Различия в средней полевой всхожести у P. orientale и P. bracteatum незначительны: 6,15+1,10 и 5,14+0,99% соответственно.

Возможно, одной из причин снижения полевой всхожести является низкая температура. При первых посевах (P. bracteatum - 2 делянки, P. orientale - 2 делянки), сделанных 4 мая 2001 г., семена ие взошли. В начале мая наблюдались почвенные заморозки, характерные дтя Прикамья в это время. Успешным

IS

оказался второй посев семян, произведенный через две недели. В 2002 г. посев производился в начале июня, он также был успешным. Молодые всходы также чувствительны к недостатку влаги. По-видимому, в естественных местообитаниях возобновление происходит под покровом листвы взрослых растений. Нами отмечены случаи самосева па делянках с цветущими растениями Л bramatum и Р. orientóle.

ВЫВОДЫ

1. 'биологические наблюдения за Р. hractemum и Р, оneníale показывают относительную устойчивость протекания фенологических фаз. Незначительные колебания в сроках зависят от температуры воздуха, которая влияет как на начало бутонизации и цветения, так н на количество развившихся бутонов.

2. Оба вида энтомофнльны и в большей степени приспособлены к перекрестному опылению, чем к самоопылению. Опыты по самоопылению цветков показали, что семенная продуктивность в этом случае достоверно снижалась.

3. У обоих видов цветок обладает значительным полиморфизмом, который выражается в варьировании .числа элементов околоцветника, характере опушения чашелистиков, окраске н размерах лепестков, числе плодолистиков.

4. Развитие стенки пыльника, микроспорогенез и образование пыльцы исследованных видов идут, в основном, но схеме, полученной при изучении ряда видов из сем. Papaveraceae, без значительных отклонений от этой схемы, К наблюдаемым отклонениям относятся аномально ранняя дегенерация галетума на стадии микроспоропитов и нарушения мейоза в них. Возможно, с этим связано длительное сохранение средних слоев стенки т незда пыльника и низкая фертильность пыльны.

5. Исследование семяпочки, развития зародышевого мешка, эндосперма и зародыша также выявило особенности, характерные для других представителей Papaveraceae; к ним следует отнести длительное функционирование и полиплоидизацию антипод.

6. Семенная продуктивность Р. hractemum и Р. orientaie достаточна для семенного возобновления. Мак восточный потенциально способен образовывать больше семян, чем мак при цветниковый, но реальная семенная продуктивность у него ниже. Причины стерильности семяпочек не выяснены. Более 90% полученных семян у обоих видов являлись всхожими, но полевая всхожесть резко снижается из-за высокой уязвимости проростков, которые не способны переносить почвенные заморозки и пересыхание верхнего слоя почвы. Полевая всхожесть увеличивается, если всходы появляются пса покровом листьев взрослых

растений; так происходит семейное возобновление путем самосева. Наиболее благоприятным сроком для посева семян является конец мая.

7. Интролукцню мака восточного и мака лрицветпнкового в Прикамье можно считать успешной. Об успешности интродукции свидетельствует стойкость фенологических спектров мака восточного и мака прицветникового. Растения проходят полный цикл развития, образуют жизнеспособные семена и дают самосев. Фактическая семенная продуктивность выше 70%, что, по оценке И.Б. Вайнагня (1977), соответствует четырем баллам из пяти, которые может получить интродуцент.

Мак при цветниковый, исчезающее растение флоры России, рекомендуется нами к выращиванию в Прикамье, как декоративное многолетнее растение, цветущее в начале лета, когда в цветниках немного краенвоиветущих растений." Как показывает опыт, Р. Ьгашашт адаптировался в новых для себя условиях, он не только цветет, но и лает полноценные всхожие семена.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Верещагина В.А., Данилова М.А. Итоги интродукции Рара\'сг Ьгаша/ит ЬтШ. в Прикамье II Биологическое разнообразие. Интродукция растений. С.-П.-2003. - С, 181 - 182.

2.Данилова М.А. Семенная продуктивность мака прннветникового и мака восточного, интродуцпрованкых в Прикамье И Экология: проблемы и пути решения. Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов н молодых ученых. Пермь, - 2003.-С.44-48.

3.Данилова М.А., Шелуинова К. Фенология многолетних маков-интродуцентов о Прикамье I Экология: проблемы И пути решения. Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Пермь, 2003. С. 48 - 49.

20

»20223

Подписано в печать 20.11.03. Печать офсетная. Бум. офс. Тираж 100 экз. Формат 60X84/16 Усл. печ. л. 1. Заказ №.

Отпечатано на ризографе в ООО Учебный центр «Информатика», 614990, г. Пермь, ул. Букирсва, 15.