Morphological features of mutational and pathogenic 'witches' brooms' in Siberian fir.pdf «Ведьмина метла» представляет собой фрагмент кроны дерева (локальную систему ветвления) с ано-мальным морфогенезом. В зависимости от причины возникновения можно выделить два типа «ведьминых мётел» - паразитарные и мутационные. Паразитарные «ведьмины мётлы» - результат инвазии растения пато-генными организмами. В роли патогенов могут высту-пать грибы, микоплазмы и вирусы [1-3]. Паразитарные «ведьмины мётлы» характеризуются очаговым распро-странением, болезненным видом, преждевременной гибелью хвои, угнетением репродуктивной функции и общей тенденцией к отмиранию. Яркий пример - по-ражение пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) ржав-чинным грибом Melampsorella caryophyllacerum G. Schrot. (=M. Cerastii Wint.).Причина возникновения «ведьминых мётел» второ-го типа - мутационные изменения в меристеме побе-гов, приводящие к формированию обильно ветвящейся локальной системы ветвления в кроне дерева. «Ведь-мины мётлы» мутационного типа отличаются от пара-зитарных спорадическим распространением, нормаль-ной жизнеспособностью и наличием «плодоношения». В них не удаётся обнаружить каких-либо патогенов или следов их жизнедеятельности [4]. Такие мутации относятся к естественным, но у деревьев в природных условиях встречаются крайне редко.В работах, посвящённых изучению паразитарных «ведьминых мётел» разных видов рода Abies Mill., описы-вается характер распространения поражённых ржавчин-ным раком деревьев, морфоструктура их кроны, особенно-сти «плодоношения», качество пыльцы и другие признаки[5-10]. Детальных же исследований морфоструктуры са-мих паразитарных «ведьминых мётел» нет. Для мутацион-ных «ведьминых мётел» у Abies sibirica в литературе име-ются только краткие морфологические характеристики семенного или вегетативного потомства, а детальные ис-следования морфоструктуры и системы ветвления, как и в случае с паразитарными, отсутствуют. В данной работе изложены результаты исследования детальной структуры побегов и особенностей систем ветвления двух принципи-ально разных по происхождению «ведьминых мётел» у Abies sibirica - паразитарной и мутационной.Объекты и методика исследованийОбъектами исследования послужили две «ведьмины метлы» - паразитарная (далее ВМ-П) и мутационная (далее ВМ-М). Они были обнаружены на ветвях II порядка ветвления у пихт возрастом около 90-100 лет. Оба дерева произрастают в 30 км южнее г. Томска (Том-ский район, лесной массив около п. Курлек). Исследова-лись 5-летние ветви III порядка ветвления ВМ-П и ВМ-М (рис. 1). Здесь и далее порядок ветвления обозначен римской цифрой. Для сравнения брались ветви того же порядка ветвления и с той же части кроны - нормальный контроль к паразитарной (далее НК-П) и мутационной (НК-М) «ведьминым мётлам». У всех 4 групп образцов изучалась система ветвления и структура побегов III и более младших порядков ветвления. Измерялась длина побегов и хвои, подсчитывалось количество хвои, боко-вых почек регулярного ветвления и боковых пазушных почек (рис. 2).Рис. 1. 5-летние ветви Abies sibirica:НК-П - нормальный контроль к паразитарной «ведьминой метле»;ВМ-П - «ведьмина метла» паразитарная, ВМ-М - «ведьмина метла» мутационная;НК-М - нормальный контроль к мутационной «ведьминой метле»Рис. 2. Схема типичного 1-летнего побегаAbies sibirica: П - побег; Х - хвоя; ВП - верхушеч-ная почка; ПРВ - почка регулярного ветвления;ПП - пазушная почкаУчитывалась доля первичных побегов, образую-щихся из почек регулярного ветвления и доля вторич-ных побегов, образующихся за счёт прорастания па-зушных почек. Часть хвои фиксировалось для анато-мического исследования. На спектрофотометре опре-делялось содержание фотосинтетических пигментов в хвое - хлорофиллов А и Б, а также сумма каротинои-дов. Полученные данные обрабатывались статистиче-246Морфологические характеристики побегов «ведьминой метлы» паразитарной (ВМ-П) и нормальногоконтроля к ней (НК-П) у Abies sibiricaски - высчитывалось среднее значение признака (x), ошибка среднего значения признака (sx), коэффициент вариации признака (Cv). Вариабельность признака считалась слабой при Cv25% [11]. Достоверность отличий определялась U -тестом Манна-Уитни.Паразитарная «ведьмина мётла». За 5 лет из боковой почки на оси II порядка ветвления ВМ-П формируется система ветвей, состоящая из пяти порядков, НК-П формирует только три порядка. Характеристики годичных побегов разных порядков ветвления представлены в табл. 1. По длине побеги ВМ-П III порядка меньше НК-П на 13,3%, но закладывают на треть больше почек регулярного ветвления и почти в 6 раз больше пазушных почек, 46% которых в следующем году образуют вторичные побеги. Побеги IV порядка ВМ-П длиннее НК-П на 13,6%, закладывают в 3,4 раза больше почек регулярного ветвления и в 7 раз большепазушных, 36,6% которых прорастают в следующем году. Побеги IV порядка ветвления ВМ-П, образованные из па-зушных почек на 20-25% короче побегов регулярного ветвления, их ростовые характеристики зависят от распо-ложения на побеге: более длинные образуются из пазуш-ных почек заложенных в верхней половине побега, а ко-роткие - в нижней части. На побегах IV порядка НК-П за-кладывается только 1-2 пазушных почки, и они остаются покоящимися. Побеги V порядка ветвления ВМ-П длиннее на 87% и закладывают в 17 раз больше боковых почек, чем НК-П, 90% побегов которой вообще не закладывают почек регулярного ветвления. Пазушные почки на побегах V по-рядка ветвления НК-П не закладываются, у ВМ-П продол-жают закладываться в большом количестве - 80% побегов имеют 3-6 шт. Побеги VI и VII порядков ветвления не об-разуются на НК-П, а у ВМ-П на этих порядках образуется 59,4% всех осей.Т а б л и ц а 1ВариантПризнакВМ-ПНК-П IIIIVVVIVIIIIIIVVДлина побега, ммx±sx44,4±2,1 (+)32,6±1,3 (+)32,2±1,0 (+)22,8±0,414,0±0,451,2±3,828,7±2,417,2±1,4 Cv10,424,729,718,914,516,440,736,9Почки регулярного ветвления, шт.x±sx3,2±0,2 (+)2,4±0,1 (+)1,7±0,1 (+)1,0±0,102,4±0,20,7±0,10,1±0,03 Cv14,030,647,054,4-22,830,534,2Охвоённость побега, шт./10 мм побегаx±sx16,1±0,515,3±0,2 (+)14,6±0,2 (+)14,4±0,19,7±0,115,5±1,617,2±1,517,3±0,9 Cv7,28,611,39,03,323,235,225,3Пазушные почки, шт.x±sx9,3±0,9 (+)7,0±0,2 (+)6,6±0,1 (+)2,3±0,11,0±0,11,6±0,41,0±0,10,05 Cv42,536,631,128,220,145,951,255,3Примечания. Латинскими цифрами (III-VII) обозначен порядок ветвления. Знак (+) обозначает, что данный признак у побегов одного порядка ветвления «ведьминой метлы» (ВМ-П) и нормального контроля (НК-П) имеет статистически значимые различия (при p≤0,05).Среднее число метамеров на 10 мм побега у НК-П 15-16 шт. на всех порядках ветвления, у ВМ-П также 15-16 шт. на побегах III-VI порядков ветвления и 10 шт. на VII. Побеги НК-П и ВМ-П имеют разную ориентацию в пространстве: для НК-П характерно пла-гиотропное (перпендикулярное по отношению к оси ствола дерева и параллельное по отношению к плоскости земли расположение побегов), побеги ВМ-П растут ортотропно (параллельно оси ствола либо под острым углом к ней).Вариабельность (Cv) длины побега всех порядков ветвления ВМ-П средняя (14-25%), а количества почек регулярного ветвления и пазушных почек - высокая (30-60%). У НК-П вариабельность длины побегов III иIVпорядков высокая (25-55%), а V - средняя (12-25%). Вариабельность числа закладывающихся на побегах почек регулярного ветвления и пазушных почекнизкая (5-10%) на ветвях III и высокая на ветвях IV иVпорядков ветвления.С увеличением порядка ветвления охвоённость побегов (число хвои на 10 мм побега) постепенно уменьшается для ВМ-П, а для НК-П - увеличивается. Хвоя ВМ-П бледная и вздутая, живёт только один вегетационный сезон и осенью опадает. На поперечных срезах хвои наблюдаются нарушения мезоструктуры: увеличена долямезофилла, уменьшены и деформированы смоляные каналы (рис. 3). В хвое ВМ-П диаметр клеток мезофилла в 2,3 раза больше, чем у НК-П, а диаметр смоляных каналов в 1,6 раза меньше. По массе хвоя ВМ-П не отличается от НК-П, но короче в 2,5 раза и толще в 2,2 раза. Содержание фотосинтетических пигментов (сумма хло-рофиллов А и Б, а также сумма каротиноидов) в хвое ВМ-П составляет 11-13% от нормы.В общей сложности 5-летняя ветвь ВМ-П состоит из 4212±251,5 осей (побеги + все типы почек). Вторичные побеги составляют 62,1% всей системы ветвления, они образуются за счёт регулярного прорастания пазушных почек. Система ветвления НК-П образована гораздо меньшим (по сравнению в ВМ-П) числом осей - 84±6,3. Она почти полностью является первичной, т.е. образуется за счёт почек регулярного ветвления.Мутационная «ведьмина мётла». Побеги III, IV, V порядков ВМ-М мутационной не имеют достоверных отличий от НК-М ни по длине, ни по охвоённости (табл. 2). Однако закладывают больше в 1,5-2 раза почек регулярного ветвления и в 1,5-2,5 раза пазушных почек, 25-35% которых прорастает на следующий год. Вторичные побеги ВМ-М, образованные из пазушных почек, в 3 раза меньше по длине, по сравнению с побегами из почек регулярного ветвления, и закладывают в2472,5 раза меньше собственных боковых почек. Вклад этих побегов в общую систему ветвления невелик -5-7%. Прорастание пазушных почек у НК-М отмечено в единичных случаях.BM-NВМ-МРис. 3. Поперечные срезы хвои Abies sibirica: НК-П - нормальный контроль к паразитарной «ведьминой метле»;ВМ-П - «ведьмина метла» паразитарная; ВМ-М - «ведьмина метла» мутационная; НК-М - нормальный контроль к мутационной «ведьминой метле» (1 - смоляные каналы, 2 - клетки мезофилла)Т а б л и ц а 2Морфологические характеристики побегов «ведьминой метлы» мутационной (ВМ-М) и нормального контроляк ней (НК-М) у Abies sibiricаПризнакВариант ВМ-МНК-М IIIIVVVIVIIIIIIVVДлина побега, ммx±sx69,4±5,743,8±1,927,4±1,220,3±1,814,8±0,671,5±4,247,2±1,837,7±1,5 Cv18,523,736,842,116,226,124,921,5Почки регулярного ветвления, шт.x±sx3,2±0,2 (+)2,5±0,1 (+)1,9±0,3 (+)1,8±0,41,0±0,12,3±0,21,6±0,11,0±0,1 Cv14,022,928,135,340,129,424,921,5Охвоённость побе- га, шт./10 мм побегаx±sx18,4±1,822,1±0,721,1±0,819,2±1,310,1±0,219,7±1,622,6±0,723,0±1,5 Cv21,317,230,435,78,427,418,726,1Пазушные почки, шт.x±sx6,5±0,9 (+)5,2±0,3 (+)2,6±0,32,4±0,203,8±0,32,3±0,30 Cv48,344,549,247,4-31,042,6-Примечания. Латинскими цифрами (III-VII) обозначен порядок ветвления. Знак (+) обозначает, что данный признак у побегов одного порядка ветвления «ведьминой метлы» (ВМ-М) и нормального контроля (НК-М) имеет статистически значимые различия (при p≤0,05).Побеги VI-VII порядков ветвления не образуются у НК-М, а у ВМ-М на этих порядках образуется 24% всех осей. Среднее число метамеров на 10 мм побега НК-М 21-23 шт. на всех порядках ветвления, а у ВМ-П - 21-24 шт. на побегах III-VI порядках ветвле-ния и 11 шт. на VII.Вариабельность таких признаков у ВМ-М, как длина побега, количество почек регулярного ветвления и па-зушных почек - средняя (11-20%) на всех порядках ветв-ления. У НК-М значения вариабельности длины побега и количества закладывающихся почек регулярного ветвле-ния и пазушных почек такие же, как у НК-П.Для побегов НК-М характерен плагиотропный ха-рактер роста. Побеги III и частично IV порядков ветв-ления ВМ-М растут почти ортотропно, а побеги млад-ших порядков (V, VI, VII) растут плагиотропно.Как уже было отмечено выше, побеги ВМ-М и НК-М не отличаются по охвоённости побегов. Охвоён-ность побегов у НК-М постепенно увеличивается от III порядка ветвления к V на 15%, на побегах ВМ-М таких же порядков ветвления тоже происходит увеличение охвоённости на 20%, но на побегах младших порядков ветвления (VI и VII) снижается.Морфометрические характеристики хвои разного возраста ВМ-М имеют более высокие значения, чем у НК-М; так, 1-летняя хвоя ВМ-М длиннее и больше по массе на 5 и 18%, 2-летняя - на 6 и 23%, а 3-летняя - на 12 и 30% соответственно. На поперечных срезах хвои ВМ-М не обнаружено нарушений мезоструктуры (рис. 3). Достоверных отличий между ВМ-М и НК-М по диаметрам клеток мезофилла и смоляных каналов не выявлено. Визуально хвоя ВМ-М темнее НК-М, и в ней обнаружено повышенное содержание хлорофиллов А и Б - в 1-летней хвое на 41%, 2-летней на 16% и 3-летней на 28%. Содержание каратиноидов в 1- и 2-летней хвое ВМ-М и НК-М достоверно не отличается, но в 3-летней хвое ВМ-М их содержание снижено на 17%.В общей сложности 5-летняя ветвь ВМ-М состоит из 418±27,2 осей. Бòльшая часть побегов (93%) образу-ется за счёт повышенного заложения почек регулярно-го ветвления. НК-М формирует систему из 78±4,3 осей, также образованную за счёт регулярного ветвления.Из приведенных выше результатов видно, что побе-ги обоих типов ВМ отличаются от побегов из нормаль-ной части кроны. Между ВМ-П и ВМ-М есть сходст-во - обильное ветвление, благодаря которому форми-248руется более плотный фрагмент кроны, визуально лег-ко обнаруживаемый. При этом сам характер ветвления и особенности структуры и роста побегов у двух типов «ведьминых мётел» отличаются.ОбсуждениеИзучение детальной структуры побегов двух прин-ципиально разных по происхождению типов «ведьми-ных мётел» у Abies sibirica (паразитарной и мутацион-ной) выявили ряд морфологических признаков, харак-терных для каждого типа. Эти признаки помогают по-нять различия и сходства формирования систем ветв-ления обоих типов «ведьминых мётел». Знание морфо-логических особенностей паразитарной и мутационной «ведьминых мётел» необходимо для их точной иден-тификации при обнаружении, поскольку они имеют разное хозяйственное значение.Паразитарные «ведьмины мётлы», заражая деревья, приводят к снижению их механической устойчивости, ослаблению роста, «плодоношения» и качества проду-цируемой деревом пыльцы, что в конечном итоге может служить причиной выпада дерева [6, 7, 12-14]. Гриб способен вызывать заражение лесов на очень больших территориях и посадок Abies sibirica на плантациях, по-этому основной профилактической мерой борьбы с за-болеванием на плантациях является своевременное уда-ление паразитарных «ведьминых мётел» [5, 15].Мутационные «ведьмины мётлы» у Abies sibirica, как и у других хвойных, имеют высокую ценность. Они мо-гут служить исходным материалом в селекционных ра-ботах по выведению карликовых и обильноветвящихся декоративных сортов. Поэтому специальный поиск та-ких мутаций для Abies sibirica остаётся актуальным.Исследование двух типов «ведьминых мётел» вы-явило, что система ветвления у них различна и связана с особенностями морфострукторы и роста побегов. Рост побегов ВМ-П можно охарактеризовать как ста-бильный, заложение почек регулярного ветвления так-же стабильно. Вариабельность этих признаков у ВМ-П средняя. Заложение пазушных почек, наоборот, сильно варьирует. Развитие пазушных почек у ВМ-П находит-ся под влиянием продуктов метаболизма гриба M. сaryophyllacerum, при этом процесс их образования оказывается разбалансированным. Интересной особен-ностью ВМ-П является то, что общее число метамеров на 10 мм длины побега на всех порядках ветвления не отличается от НК-П. По-видимому, метаболиты гриба воздействуют в основном на усиление роста междоуз-лий, при этом слабо затрагивая количественные изме-нения в органогенезе. Усиленное образование пазуш-ных почек этому не противоречит т.к. это вторичное явление. Обычно на побегах Abies sibirica сохраняются остатки меристемы в состоянии покоя в пазухах хвои. Эти остатки меристемы при повреждении апекса побе-га способны вновь образовывать пазушные почки. Об-разование и развитие пазушных почек из остатков ме-ристемы, так же как и рост побегов у деревьев, контро-лируется ауксином [16, 17]. Результаты исследования показали, что метаболиты гриба снимают покой с та-ких остатков меристемы, способствуя их развитию впазушные почки. Далее из пазушных почек формиру-ются вторичные побеги.Почки регулярного ветвления на побегах видов ро-да Abies закладываются на вершине побега, чуть ниже терминальной почки (см. рис. 2). Их количество зави-сит от степени апикального контроля со стороны побе-гов старшего порядка ветвления. Апикальным контро-лем также определяется пространственная ориентация побега - в отсутствии апикального контроля побег рас-тёт вертикально. На побегах ВМ-П наблюдается нару-шение апикального контроля, что приводит к верти-кальному росту побегов и повышенному заложению обоих типов боковых почек (и регулярного ветвления и пазушных). Такие изменения в структуре побегов и системе ветвления ВМ-П вызваны особенностями био-логии гриба M. сaryophyllacerum. Наполненные спора-ми эцидии гриба образуются только на хвое. При этом происходит нарушение мезоструктуры хвои, расходу-ются её ресурсы, что в конечном итоге вызывает ги-бель хвои. Для дальнейшего продуцирования спор гриб не может использовать хвою прошлого года, и метабо-литы гриба так воздействуют на органогенез побега, чтобы ежегодно происходило максимальное заложение новых побегов со свежей хвоёй. Образование большого числа новых побегов приводит к увеличению количе-ства продуцируемой их хвоёю спор, что обеспечивает дальнейшее расселение гриба.Обильное ветвление ВМ-М, в отличие от ВМ-П, полностью обусловлено повышенным заложением по-чек регулярного ветвления. Побеги ВМ-М закладывают в 2,5 раза больше пазушных почек по сравнению с НК-М. Однако вторичные побеги, развившиеся из па-зушных почек, не вносят существенный вклад в общую систему ветвления, т.к. для таких побегов характерен слабый рост и почти полное отсутствие собственного ветвления. Для ВМ-М характерно среднее значение Cv длины побегов, количества закладывающихся боковых и пазушных почек. Это является показателем того, что для побегов ВМ-М на всех порядках ветвления харак-терен стабильный рост и регулярно происходит зало-жение почек регулярного ветвления. По-видимому, такая особенность роста и ветвления побегов связана с возникновением мутации, вызывающей ослабление апикального контроля, но это ослабление является упорядоченным, а не разбалансированным, как в слу-чае с ВМ-П. Апикальный контроль роста побегов ВМ-М снижен, но не отсутствует, т.к. побеги младших порядков ветвления всё равно меньше по размерам по-бегов старших порядков и выражено угнетение роста побегов, образованных из пазушных почек.Ослабление апикального контроля может быть вы-звано либо нарушением в синтезе ауксина (что мало вероятно, т.к. привело бы к более существенным нару-шениям органогенеза и роста), либо нарушением транспорта ауксина в побеге.Описанная рядом авторов [4, 18-20] визуально раз-личимая для ВМ-М некоторых видов хвойных более тёмная окраска хвои характерна и для исследованной ВМ-М Abies sibirica. Тёмная окраска хвои, по-видимому, обусловлена повышенным содержанием хлорофиллов А и Б и, возможно, большим количеством хлоропластов.

Скачать электронную версию публикации