Using morphological and anatomical characteristics to identify hybrid plants in the area of Populus laurifolia an.pdf Введение Сохранение и рациональное использование лесных генетических ресурсов Сибири и бореальных лесов в целом является одной из важнейших природоохранных и экономических задач. Эффективность ее решения зависит от степени изученности лесных генетических ресурсов. Видовой состав дендрофлоры Сибири относительно беден, но его изучение осложняется огромной внутривидовой изменчивостью, формирующейся в условиях обширных экологически гетерогенных ареалов лесообразующих видов, что Использование морфоанатомических признаков 65 существенно повышает уровень биоразнообразия лесных экосистем. При этом наибольшее значение имеет наследственная изменчивость древесных растений по адаптивным и хозяйственно ценным признакам, от уровня и особенностей которой, в конечном счете, зависят устойчивость и продуктивность лесов, а также перспективы выведения сортов с хозяйственно полезными свойствами. Наряду с этим в эволюции рода Populus L. значительную роль играют процессы гибридизации [1-3], обеспечивающие не только увеличение общей изменчивости, но и, возможно, интрогрессию ценных адаптивных признаков [4], однако эти механизмы еще крайне недостаточно исследованы в Сибирском регионе. В мировой практике тополь очень широко применяется для рекультивации нарушенных территорий, создании барьеров и консервативных преград для купирования загрязненных территорий, в том числе городских и промышленных свалок, предприятий нефтедобычи и переработки, химического производства, используется в озеленении, сельском хозяйстве и промышленном лесоводстве. Однако в условиях Сибири этот мировой опыт не находит на современном этапе никакой практической реализации. Большинство посадок выполнено с использованием экзотов еще в прошлом столетии и нуждается в замене. Гибридные зоны тополей являются динамическими центрами экологических и эволюционных процессов, а также концентраторами ценных для селекции гибридных форм, в связи с чем они требуют тщательного изучения. Естественные зоны, возникающие при контакте ареалов видов секции Aigeiros Lunell и Tacamahaca Mill., изучаются с 80-х гг. прошлого века [5-7]. В Северной Америке ареалы черных и бальзамических тополей по большей части симпатрические, с перекрывающимися местообитаниями. Большинство гибридных зон в этом регионе двувидовые, т.е. родители представлены одним видом секции Aigeiros и одним из секции Tacamahaca, но обнаружены и более сложные зоны. Например, на р. Олдмен (Южная Альберта, Канада) выявлены зоны совместного произрастания и гибридизации P. deltoides Bartr. ex Marsh., P. balsamifera L. и P. angustifolia E. James. В целом на территории Северной Америки известно пять зон гибридизации видов секции черных и бальзамических тополей [8]. Они относительно полно изучены с популяционно-генетической точки зрения, но недостаточно - с популяционно-экологической, селекционно-генетической и морфологической. Данных о гибридных зонах в Азии весьма мало, что вполне объяснимо, так как секция Aigeiros здесь представлена одним P. nigra L., ареал которого только на восточной окраине перекрывается с некоторыми бальзамическими тополями. С другой стороны, это связано и с крайне слабой изученностью этих зон. Во всем Азиатском регионе известно только две таких зоны [Там же]. P. jrtyschensis C.Y. Yang in C. Wang & S.L. - естественный гибрид P. lau-rifolia Ledeb. (секция Tacamahaca) и P. nigra (секция Aigeiros), распространенный в местах наложения их ареалов в Алтае-Саянской горной стране. 66 А.В. Климов, Б.В. Прошкин Китайскими учеными в долине р. Черный Иртыш проводятся интенсивные популяционно-генетические исследования гибридного комплекса с участием P. X jrtyschensis, P. nigra и P. laurifolia [9]. При этом лучшие генотипы из гибридов P. X jrtyschensis введены в культуру. Однако данные по изменчивости морфологических и адаптивных признаков популяций из этой части зоны гибридизации отсутствуют. С другой стороны, тополь иртышский, выявленный на территории России еще в прошлом веке, начал изучаться лишь в последнее время. Он не только не нашел практического применения, но и до сих пор не приводится во флористических сводках и ключах определителей регионов Сибири. Последнее, безусловно, связано с отсутствием четких представлений о морфологических признаках, важных для его выявления. Цель настоящего исследования - изучить морфо-анатомические признаки P. nigra, P. laurifolia и P. X jrtyschensis для оценки возможностей их применения в идентификации естественных гибридов. Материалы и методики исследования Основная часть исследований выполнена в бассейне реки Томи. P. X jrtyschensis не образует здесь больших чистых насаждений, гибриды отмечены единично или небольшими клонами в составе смешанных лесов родительских видов. Однако на отдельных участках они встречаются стабильно и в значительном количестве. В ходе полевых исследований 2015-2017 гг. выявлено четыре такие популяции. Эти насаждения использовали как ключевые при исследовании морфологии таксона. Часть материалов для анатомических исследований отобрана в насаждениях рек Бия и Катунь (табл. 1). Морфологические признаки вегетативных органов исследовали с использованием сравнительно-морфологического метода. При этом изучали комплекс качественных признаков: форма поверхности удлиненных порослевых побегов, форма поверхности удлиненных побегов кроны, типы укороченных побегов кроны, морфология листовых пластинок и черешка. Таблица 1 [Table 1] Исследованные популяции тополя [Studied poplar populations] Название популяции [Name of the population] Координаты [Coordinates] Количество деревьев / листьев / черешков [Number of trees / leaves / petioles] P. nigra P. laurifolia |P x jrtyschensis Река Томь [Tom River] Бельсу [Belsu] 53°41'35"N, 88°22'44"E - 30/450/0 - Студен^хй Плес [Studenyy Ples] 53°39'49"N, 88°20'01"E - 30/450/0 - Вороний [Voroniy] 53°66'10"N, 88°29'52"E - 30/450/0 - Использование морфоанатомических признаков 67 Окончание табл. 1 [Table 1 (end)] Название популяции [Name of the population] Координаты [Coordinates] Количество деревьев / листьев / черешков [Number of trees / leaves / petioles] P. nigra P. laurifolia P. X jrtyschensis Чистенький [Chistenkiy] 53°66'19"N, 88°28'56"E 30/450/0 - - Майзас [Maysas] 53°37'24"N, 88°12'48"E 30/450/9 30/450/9 39/585/9 Кийзак [Kiyzak] 53°72'27"N, 87°94'58"E 30/450/0 - - Швейник [Shveynik] 53°48'34"N, 87°28'42"E 30/450/0 - - Карлык [Karlyk] 53°49'21"N, 87°28'03"E 30/450/9 30/450/0 41/615/9 Новокузнецк [Novokuznetsk] 53°49'04"N, 87°07'23"E 30/450/0 - 23/345/9 Казанково [Kazankovo] 53°99'08"N, 87°29'44"E 30/450/0 - - Славино [Slavino] 54°02'05"N, 87°22'55"E 30/450/9 - - Ерунаково [Yerunakovo] 54°09'32"N, 87°47'45"E - 30/450/0 - Верхняя Терсь [Verkhnyaya Ters] 54°13'00"N, 87°39'48"E - 30/450/9 10/150/9 Средняя Маганакова [Srednyaya Maganakova] 54°19'33"N, 87°58'57"E - 30/450/0 - Река Бия [Biya River] Бия 1 [Biya 1] 52°36'32"N, 86°28'33"E 3/0/9 3/0/9 - Артыбаш [Artibash] 51°47'38"N, 87°13'35"E - 3/0/9 - Куют [Kuyut] 52°30'66"N, 86°39'66"E - - 3/0/9 Река Катунь [Katun River] Иконникова [Ikonnikova] 52°25'57"N, 85°05'83"E 3/0/9 3/0/9 3/0/9 Усть-Катунь [Ust-Katun] 52°27'02"N, 85°09'54"E 3/0/9 3/0/9 - Итого [Total] 249/3600/54 252/3600/54 119/1695/54 Для изучения вариабельности морфологических признаков на каждой пробной площади с 30 репродуктивно зрелых удаленных друг от друга деревьев с южной стороны средней части кроны проводили сбор гербарного материала. С каждой особи отбирали по 15 полностью развитых, неповрежденных листьев, только со средней части укороченных побегов. Для анализа формы пластинки на каждом листе измеряли его длину (L) и расстояние между самой широкой частью и основанием (А). Определение формы проводили путем вычисления индекса A/L. При этом использовали следующие его диапазоны: < 0,25 - треугольная; 0,25-0,35 - яйцевидно-треугольная; 0,35-0,45 - яйцевидная; 0,45-0,65 - эллиптическая; 0,65 > - обратнояйцевидная [10]. Измерения основных признаков проводили с помощью программы «Axio Vision 4.8.2». 68 А.В. Климов, Б.В. Прошкин Для исследования расположения генеративных почек на побегах и морфологии цветков с 10 моделей каждого таксона весной, до начала цветения (в конце марта), проводили заготовку ветвей с генеративными почками. Соцветия получали на срезанных ветвях, поставленных в сосуды с водой (при температуре 20_24°С) и фиксировали в смеси спирта этилового 96% и воды в соотношении 1:1. Выявление морфологических особенностей проведено при увеличении 16,3х («МБС-10», ЛЗОС, Россия). Изучение морфологии плодов проводили на 30 плодущих сережках отобранных с деревьев в период плодоношения. Известно, что для представителей Salicaceae характерна крайне низкая индивидуальная и межпопуляционная изменчивость анатомических структур листа [11, 12]. В ряде популяций в бассейнах рек Томь, Бия и Катунь ран-домизированно с трех особей использовали листья для морфо-анатомических исследований черешка (см. табл. 1). Отбор проводили со средней части кроны репродуктивно зрелых деревьев, с укороченных побегов. Черешки отделяли от пластинок листьев укороченных побегов и фиксировали в смеси спирта этилового 96%, глицерина и воды в соотношении 1:1:1. Поперечные срезы делали в верхней части черешка (у основания листовой пластинки), поскольку именно ее характеристику используют в ключах определителей как важный признак для разграничения видов секций Aigeiros и Tacamahaca [13, 14]. Полученные срезы окрашивали 2%-ным водным раствором сафранина. Анатомические особенности изучали при увеличении 100х («Микромед-1», ООО «Наблюдательные приборы», Россия). С каждой модели анализировали 9 черешков листьев. При анализе ряда мерных признаков рассчитывали: средние арифметические (xj и ошибки средних арифметических (m), максимальные и минимальные значения, стандартные отклонения (о) и коэффициенты вариации (CV, %). Результаты исследования и обсуждение Морфология побегов Для P. nigra характерны побеги цилиндрические по всей длине, редко у отдельных особей наблюдается угловатость в верхней их части. У P. laurifolia порослевые удлиненные побеги всегда ребристые, ребра нисходят по 3 от каждого листового рубца и хорошо просматриваются даже на 2-4-летних побегах. У большинства исследованных особей Р. х jrtyschensis среди порослевых побегов преобладают ребристые в верхней и цилиндрические в нижней части. Применение этого признака особенно важно при идентификации гибридов на ранних стадиях развития насаждений - фазы сеянцев и молодых деревьев [15]. Удлиненные побеги кроны, в отличие от порослевых, менее информативны для идентификации, поскольку даже у P. laurifo-lia среди них наблюдаются цилиндрические, угловатые и ребристые. Такое же варьирование характерно и для гибридов. Использование морфоанатомических признаков 69 Морфологические методы позволяют достаточно надежно идентифицировать гибриды, возникающие между видами секций Aigeiros и Tacamahaca по характеру дифференцировки укороченных побегов кроны. У видов секции Tacamahaca имеются специализированные укороченные побеги - дискобласты, у таксонов секции Aigeiros их нет, и укороченные побеги кроны представлены только лептобластами. Следует отметить, что дискобласты всегда наследуются как естественными, так и культурными гибридами и сохраняются даже при возвратных скрещиваниях [16]. Наличие дискобластов позволяет надежно идентифицировать P. х jrtyschensis по достижению растениями 10-летнего возраста, даже при внешнем сходстве листовой пластинки с P. nigra (рис. 1). А - Populus nigra, В - P. х jrtyschensis, С - P. laurifolia. Типы побегов [Types of shoots]: 1 - ауксибласт [auxiblast]; 2 - лептобласт [leptoblast]; 3 - дискобласт [discoblast]; g - генеративные почки [generative buds] Морфология листовых пластинок У изученных таксонов наблюдаются четыре формы листовой пластинки: треугольная, яйцевидно-треугольная, яйцевидная и эллиптическая. На эндогенном уровне в пределах одного дерева можно наблюдать сразу несколько форм, но резко преобладает одна из них. Для P. nigra характерны треугольные и яйцевидно-треугольные листья, последние преобладали во всех популяциях (78,0-96,0%). У P. laurifolia три типа листовых пластинок: яйцевидно-треугольная, яйцевидная и эллиптическая. В большинстве изученных насаждений наиболее распространены яйцевидные листья (50,0-70,0%). P. х jrtyschensis характеризуется наличием всех форм, отмеченных у родительских видов. В популяциях гибридов 70 А.В. Климов, Б.В. Прошкин преобладают яйцевидно-треугольные листья (55,0-82,0%), треугольные и эллиптические отличаются крайне низкой частотой встречаемости. На укороченных побегах в средней части кроны у всех листьев одного дерева всегда выражена только одна форма верхушки и основания листовой пластинки. Листья P. nigra во всех изученных популяциях имели исключительно удлиненно-остроконечную верхушку и клиновидное основание. У P. laurifo-lia по форме верхушка всех листьев заостренная. Варьирование основания листовой пластинки у данного вида в пределах изученной территории связано с наличием форм, отличных не только по рассматриваемому признаку, но и по окрасу коры [10]. Наиболее распространенная серокорая форма имеет округленно-клиновидное, а приуроченная к популяциям среднего течения белокорая - сердцевидное основание [17]. Для листовых пластинок P. X jrtyschensis характерны промежуточные признаки: удлинено-остроко-нечная верхушка и округленно-клиновидное основание. Для многих видов тополя характерна гетерофиллия на удлиненных и укороченных побегах. Ранее мы уже отмечали, что применение в исследованиях листьев брахибластов более надежно при морфологической идентификации видовой принадлежности. Укороченные побеги довольно рано в возрасте 3-4 лет развиваются на молодых особях, хотя при этом их полноценная дифференциация происходит к 10 годам. Использование при этом индекса формы листовых пластинок путем вычисления соотношения A/L, на наш взгляд, является крайне перспективным направлением, поскольку не только снимает преувеличенность представлений об их чрезвычайно высокой вариабельности [18-20], но и позволяет избегать субъективности в их оценке. Морфологические признаки листовых пластинок важны при изучении изменчивости исследованных таксонов, но применение их для идентификации P. x jrtyschensis, на наш взгляд, требует больших навыков. Морфология черешка листа Черешок листа у P. nigra плоский на большей части длины без желобка на адаксиальной стороне, у P. laurifolia - цилиндрический с желобком. Черешок у P. X jrtyschensis плоский только в верхней части, желобок хорошо выражен в основании черешка, но постепенно уменьшается и в верхней части просматривается небольшая выемка. М.В. Костина и др. [21] указывают на значительное варьирование выраженности желобка у гибридных растений тополя. Исследования P. X jrtyschensis в популяциях юга Сибири подтвердили последние представления. В целом морфология черешка позволяет хорошо диагностировать P. nigra и P. laurifolia, но при определении гибридов, его признаки должны использоваться в комплексе с другими. Расположение генеративных почек на побегах кроны. Для секции Aigeiros характерно очередное положение генеративных почек на лептобластах и основании ауксибластов, для секции Tacamahaca - очередное на лептобластах и по 1-2 на верхушке дискобластов в пазухе вегетативной почки. У P. x jr- Использование морфоанатомических признаков 71 tyschensis размещение генеративных почек совмещает особенности секций. Признак полезен для идентификации репродуктивно зрелых гибридных растений в зимне-весенний период при совместном использовании с морфологией побегов (см. рис. 1). Морфология цветков и плодов В изученных популяциях как родительских видов, так и Р. X jrtyschensis резко преобладают мужские особи. Тычиночные цветки изученных таксонов имеют блюдцевидные диски диаметром 2,5-3 мм у P. nigra; 3-4 мм - у P. laurifolia и 2,5-4 мм - у Р. X jrtyschensis. У P. nigra они по краю плоские, у тополя лавролистного и тополя иртышского - волнистые. У Р. X jrtyschensis в пределах одной сережки встречаются как цельные, так и лопастные, голые и опушенные диски, у родительских таксонов они всегда цельные и голые (рис. 2). Рис. 2. Диски тычиночных цветков [Fig. 2. Discs of staminate flowers]: А - Populus nigra, В - Р. X jrtyschensis, С - P. laurifolia У P. nigra на эндогенном уровне количество тычинок варьирует от 2030 шт., CV- 8,60%; у P laurifolia - 55-65 шт., CV- 5,16%. Интересно, что у Р X jrtyschensis исследованные особи распались на три группы, образующие переход от родительских таксонов. В первой группе количество тычинок у особей варьировало от 32 до 36 шт, CV - 4,90%, во второй 42-46 шт, CV -3,18%, в третьей - 50-54 шт., CV- 3,07%. В среднем по выборкам количество тычинок составило у P. nigra - 30,0 ± 0,816 (25-35 шт., CV - 8,82%); у P. laurifolia - 60,0 ± 0,557 (55-65 шт., CV - 6,05%); у Р. X jrtyschensis - 42,0 ± 1,430 (32-54 шт, CV - 18,46%). 72 А.В. Климов, Б.В. Прошкин Пестичные цветки у P. nigra: цветоножка 0,5-2 мм, диски воронковидные сплюснутые с боков, цельнокрайние, голые. Края дисков до середины охватывают яйцевидную, гладкую, голую завязь. Рыльце крупное двулопастное, на коротком столбике. Лопасти плотно сомкнуты и прижаты к завязи, не срастаются, по форме V-образные, отогнуты вверх, поверхность бугорчатая (рис. 3, А). У P. laurifolia: цветоножка 0,5-1 мм, диски блюцевидные, по краю волнистые, опушенные. Завязь яйцевидная, складчато-бугорчатая, опушенная. Рыльце крупное трехлопастное (реже двух- и четырехлопастное), лопасти копьевидные плоские, свободные, поверхность бугорчатая (рис. 3, С). P jrtyschensis: цветоножка 0,5-3 мм, диски воронковидные сплюснутые с боков, цельнокрайние, рыхло опушенные с округлыми сосочками на поверхности. Завязь яйцевидная, бугорчатая, с сосочками, голая. Рыльце крупное двулопастное, у некоторых цветков трехлопастное, на коротком столбике. Лопасти плотно сомкнуты и прижаты к завязи, не срастаются, лировидные, отогнуты вверх, поверхность складчато-бугорчатая (рис. 3, B). Плод P. laurifolia 2-4-створчатая коробочка, обычно на сережке основную долю составляют 3-створчатые плоды, 2-створчатые коробочки расположены преимущественно в ее основании, а 4-створчатые - в верхней части. У P. nigra плоды представлены только 2-створчатыми коробочками. У P. х jr-tyschensis на сережке преобладают 2-створчатые коробочки, на 3-створчатые приходится 13,0-22,0%, они сосредоточены преимущественно в верхней части сережки. Коробочки 4-створчатые, встречающиеся у P. laurifolia, у гибридов не обнаружены. Рис. 3. Цветки [Fig. 3. Flowers]: A - Populus nigra, B - P. ^jrtyschensis, C - P. laurifolia Общеизвестно, что признаки генеративных органов отличаются низкой изменчивостью, это подтвердили и настоящие исследования. И на первый Использование морфоанатомических признаков 73 взгляд, их применение ограниченно только временем достижения репродуктивной стадии в онтогенезе. Тем более что тычиночные и пестичные цветки P. nigra, P. laurifolia и P. x jrtyschensis различаются по строению диска, рыльца и опушению. Диапазоны количества тычинок у исследованных таксонов не перекрываются, и эти признаки можно рассматривать как надежные при диагностике. Однако практическое применение морфологии генеративных органов имеет ограничения, которые необходимо учитывать при планировании исследований: 1) не позволяют идентифицировать растения, не достигшие репродуктивного возраста; 2) тополи - двудомные растения; 3) имеют непродолжительный период цветения и плодоношения; 4) цветковые и плодущие сережки недолго сохраняются в подстилке. Анатомическая структура листовых черешков Черешки P. nigra и P. laurifolia хорошо различаются по форме поперечного сечения и особенно по контуру адаксиальной стороны (табл. 2). У P. nigra верхняя сторона всегда округлая, у P. laurifolia - сердцевидная вследствие хорошо выраженного желобка. Проводящая система P. nigra линейная, у P. laurifolia - высокоаркообразная, образованная отличными по форме кольцами закрытых коллатеральных проводящих пучков. P. X jrtyschensis, как и следовало ожидать, в той или иной мере наследуют черты родительских видов, но хорошо идентифицируются по форме поперечного сечения черешка, контуру адаксиальной стороны и форме проводящей системы (рис. 4). Рис. 4. Схема анатомии черешка [Fig. 4. Diagram of petiole anatomy]: A - Populus nigra, B - P. X jrtyschensis, C - P. laurifolia 74 А.В. Климов, Б.В. Прошкин Поскольку анатомические исследования черешков листьев легкодоступны, а укороченные побеги довольно рано развиваются на молодых особях, использование признаков петиолярной анатомии, на наш взгляд, самый надежный метод идентификации гибридов. Однако, как показывают наши последние исследования, в анатомии черешков P. nigra могут наблюдаться проявления интрогрессии. Поэтому петиолярная анатомия указанных таксонов требует дополнительных исследований на популяционном уровне. Анализ морфологических и анатомических признаков P. nigra, P. laurifolia и P. x jrtyschensis в зоне естественной гибридизации показал, что родительские таксоны и гибриды хорошо идентифицируются по характеру дифференциации побегов кроны, расположению генеративных почек, морфологии цветков и анатомическому строению черешка листа. Полученные нами данные подтверждают результаты молекулярно-генетических исследований гибридных зон видов Aigeiros и Tacamahaca [5-10, 22-24], согласно которым их генетический состав определяется действием естественного отбора, приводящего к частичной блокировке интрогрессии, преобладанию гибридов F1 и сохранению видовой специфичности родительских таксонов. Таблица 2 [Table 2] Диагностические признаки анатомии черешков листьев Populus nigra, P laurifolia и P x jrtyschensis [Diagnostic characteristics of petiole anatomy of Populus nigra, P. laurifolia and P. x jrtyschensis leaves] Признак [Characteristics] Особенности проявления признаков [Peculiarities of the characteristics in species and hybrids] P. nigra P. x jrtyschensis P. laurifolia Форма поперечного сечения черешка в верхней части [Form of the cross-section of the petiole in the upper part] Эллиптическая [Elliptical] Эллиптическая [Elliptical] Яйцевидная [Ovoid] Контур адаксиальной стороны [Adaxial surface contour] Округлый [Rounded] Усеченный, выемчатый [Truncated, emarginate] Сердцевидный [Heart-shaped] Форма колец закрытых коллатеральных пучков и их размещение [Form of rings of closed collateral vascular bundles and their placement] 3-5 округлых линейно расположенных кольца [3-5 rounded linear rings] 2 эллиптических линейно расположенных на абаксиальной стороне и 2 параллельно расположенных округлых на адаксиальной стороне [2 linearly arranged elliptical and 2 parallelly arranged rounded at the adaxial side] 1 эллиптическое на абаксиальной стороне и 2-4 параллельно расположенных на адаксиальной стороне [1 elliptical on the abaxial side and 2-4 parallelly arranged at the adaxial side] Форма проводящей системы [Form of the vascular system] Линейная [Linear] Аркообразная переходящая в линейную [Arch-shaped transforming into linear] Высокоаркообразная [Arched] Использование морфоанатомических признаков 75 Заключение В зоне наложения ареалов P. nigra и P. laurifolia в Алтае-Саянской горной стране распространен их естественный гибрид P. х jrtyschensis. Анализ морфологических и анатомических признаков таксонов в исследованной зоне естественной гибридизации показал, что родительские таксоны хорошо идентифицируются по морфологии побегов, листовых пластинок, черешка, расположению генеративных почек, морфологии генеративных органов и анатомическому строению черешка листа. Рассмотренные признаки гибридов преимущественно промежуточные, хотя по дифференциации побегов кроны прослеживается асимметрия в строну P. laurifolia. В изученной гибридной зоне по морфо-анатомическим признакам наблюдается четкое подразделение взрослых деревьев на три группы - две представлены родительскими видами и одна гибридами.

Скачать электронную версию публикации