Biometric indicators of pollen and growth characteristics of pollen tubes of juniperus deltoides r. P. Adams in mountain Crimea

Full Text

Введение.

Одним из важных этапов репродуктивного цикла голосеменных является развитие мужской генеративной сферы. Процесс естественного возобновления древостоя, прежде всего, зависит от показателей успешности формирования семян, которые, помимо прочего, определяются характеристиками пыльцы (как количественными, так и качественными). Проблема стабильности возобновления особо остро стоит для видов, находящихся под угрозой исчезновения. К числу таких видов относятся все представители рода Juniperus естественно произрастающие на Крымском полуострове. В Красных книгах Республики Крым и города Севастополя Juniperus deltoides R. P. Аdams (Cupressus L.) имеет статус – вид, сокращающийся в численности [1; 5; 8; 9; 23; 27; 30].

Биометрические характеристики пыльцы играют важную роль в систематике и филогении. Морфогенез мужского гаметофита позволяет выявить закономерности и механизмы адаптации организма, происходящие в процессе его индивидуального развития [2; 5; 11].

Одним из способов определения реальной жизнеспособности пыльцы является её проращивание. Именно жизнеспособность пыльцы и энергия её роста являются основными характеристиками оценки результативности развития мужских репродуктивных структур. Жизнеспособность пыльцевых зёрен отражается в их способности прорастать в пыльцевые трубки, а длина пыльцевых трубок, в свою очередь, позволяет оценивать энергию роста пыльцы. Снижение качества пыльцевых зёрен и тератология пыльцевых трубок могут отражать нарушение в мейозе микроспороцитов и, как следствие, приводить к пустосемянности или образованию дегенеративных зародышей [17-19; 22; 26].

Цель исследования – определить биометрические особенности и уровень жизнеспособности пыльцевых зёрен J. deltoides в Горном Крыму. Исходя из цели работы, были поставлены следующие задачи: определить морфометрические параметры пыльцевых зёрен J. deltoides, оценить потенциальную и реальную их жизнеспособность, а также выявить степень влияния факторов окружающей среды на развитие мужской репродуктивной сферы J. deltoides в Горном Крыму.

Материалы и методы исследования.

В ходе изучения процессов развития мужской репродуктивной сферы J. deltoides было заложено 17 пробных площадей (ПП) по 0,2 га (рис. 1). Закладывали пробные площади в природных популяциях на высоте от 40 до 620 м н.у.м., в различных эдафо-орографических условиях.

В пределах каждой пробной площади определяли по 10 модельных деревьев, с которых, в 2022 году в период вылета пыльцы, собирали пыльцевые зерна посредством стряхивания микростробилов в простерилизованные бюксы. В период проведения лабораторных исследований их хранили в эксикаторе над хлористым кальцием при температуре плюс 5°С [7].

С использованием цифрового микроскопа Bresser LCD Micro 5mp на временных ацетокарминовых препаратах измеряли диаметр пыльцевых зёрен в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Кроме того, проводили их окраску ацетокармином по методике З.П. Паушевой [13], с целью выявления их потенциальной фертильности. На проращивание пыльцу ставили через 1–2 дня после сбора в висячей капле питательной среды – 1% раствор сахарозы при температуре 22°С [13]. Для каждого образца на 7-й и на 14-й день проращивания определяли качество пыльцы. Для анализа изменчивости признаков использовали шкалу коэффициентов вариации С.А. Мамаева [12]. Полученные данные обрабатывали методами математической статистики [10].

 

Рис. 1. Схема расположения пробных площадей в популяциях J. deltoides в Горном Крыму

(1–2 – окрестности г. Инкерман; 3 – г. Чирка-Каясы; 4 – г. Самналых; 5 – г. Толака-Баир;  6–8 – г. Кара-Даг; 9 – г. Дракон; 10 – м. Мартьян; 11 – г. Папая-Кая; 12–13 – г. Коба-Кая;  14 – г. Сокол; 15 – г. Каршитерс; 16 – ск. Куллю-Кая; 17 – окрестности с. Кудрино)

 

Для определения интегральной оценки качества пыльцы была разработана собственная методика, включающая комплексный анализ её гистохимических и морфологических признаков, характеризующих жизнеспособность. На первом этапе проводили окрашивание пыльцы ацетокармином, а на втором осуществляли оценку окрашенной пыльцы по двум группам признаков: первая – доля окрашенных пыльцевых зёрен (0–5 баллов) и интенсивность окраски содержимого пыльцевого зерна (0–2 балла); вторая – размер пыльцевых зёрен (1–2 балла), их форма (1–4 балла) и аномалии развития (0–1 балл). Каждый признак оценивался в баллах. Максимальная оценка, которую мог получить образец пыльцы, составляла 14 баллов. Итоговая оценка качества пыльцы определялась посредством суммирования баллов гистохимических и морфологических характеристик её состояния. Образцы по уровню качества в зависимости от количества набранных баллов подразделяли следующим образом: крайне низкое качество пыльцы – 0–2 балла; низкое качество пыльцы – 3–5 баллов; удовлетворительное качество пыльцы – 6–8 баллов; хорошее качество пыльцы – 9–11 баллов; высокое качество пыльцы – 12–14 баллов [5].

В силу значительной неоднородности почвенно-климатических условий Горного Крыма (табл. 1) все пробные площади были разделены на четыре группы: в западную группу вошли пробные площади № 1–8; в южнобережную – № 9–10; в восточную – № 11–15; в северную – № 16–17 Для западной группы использовали данные осадков метеорологической станции № 33991 (г. Севастополь); для восточной и южнобережных групп – № 33976 (г. Феодосия) и № 33990 (г. Ялта) соответственно; для северной групп – № 339555u (г. Симферополь). Для выделенных групп подсчитывались средние температуры и количество осадков в зимне-весенний период до начала вылета пыльцы. Согласно данным С.П. Корсаковой и соавторов [6], именно эти климатические показатели являются определяющими в процессах опыления.

 

Таблица 1

Характеристика групп пробных площадей

Группа	Н, м	t, ℃	Среднегодовое количество осадков, мм	Тип почв
Западная	1094	13,7	349	бурые горно-лесные
Южнобережная	415	14,3	736	коричневые
Восточная	100	13,4	500	коричневые
Северная	240	11,3	457	бурые горные остепненные

Примечание: H – максимальная высота над. ур. м.; t – среднегодовая температура. Степень антропогенной нагрузки определялась по 3-бальной шкале путем оценки рекреационной дигрессии. Первая стадия рекреационной дигрессии (I) – вытаптывание поверхности почвы до 25%; вторая (II) – до 50%; третья (III) – свыше 50% [4]. Эдафический фактор оценивался по уровню плодородия почвы и её увлажненности [4].

 

Результаты и обсуждение.

В ходе проведенных исследований установлено, что изменчивость размеров пыльцевых зёрен J. deltoides в Горном Крыму не превышают основную ошибку среднего значения (табл. 1). Средний размер фертильной пыльцы для вида, в условиях полуострова, составляет 27,08±0,49 мкм, что полностью соответствует последним данным 2002 года, приведённым в работах А.И. Ругузовой [15] для J. oxycedrus. При этом, диаметр стерильной пыльцы, как правило, на 5–10% ниже. Подобная закономерность свойственна всем крымским можжевельникам. Дегенеративных или поврежденных пыльцевых зёрен обнаружено не было.

Согласно классификации С.А. Мамаева [12], изменчивость размеров пыльцевых зёрен крымской популяции J. deltoides можно характеризовать как низкую и очень низкую, коэффициент вариации не превышает 12%. Подобное явление было так же отмечено самим С.А. Мамаевым для представителей семейства Pinaceae Lindl. [12].

При проведении однофакторного дифференциального анализа не установлено достоверного влияния ни абиотических, ни антропогенных факторов на размеры пыльцевых зёрен исследуемого вида. Можно заключить, что данный показатель является генетически закрепленным для J. deltoides.

В результате оценки потенциальной фертильности пыльцы, установлено, что средний процент окрашенной пыльцы составляет 55,19±3,84%. По данным А.И. Ругузовой [15], в 2002 году этот показатель находился в диапазоне от 87,1% до 98,2%. В результате чего, можно предположить, что за последние два десятилетия число потенциально фертильной пыльцы снизилось в 1,7 раза. Такие изменения являются весьма существенными и свидетельствуют о необходимости выявления факторов, приведших к этому. При этом доля окрашенной (потенциально фертильной пыльцы) в пределах популяции широко варьирует от 43,26±3,13% (г. Папая-Кая) до 70,10±2,47% (г. Чирка-Каясы) (табл. 2).

 

Таблица 2

Морфометрические и качественные показатели пыльцы J. deltoides

№ П/П	Диаметр пыльцы, мкм		Окрашенные пыльцевые зерна, %		Проросшие пыльцевые зерна, %		Качество пыльцы, баллы
	Х±mХ	СV, %	Х±mХ	СV, %	Х±mХ	СV, %	Х±mХ	СV, %
1	26,13±0,46	11,8	48,92±3,13	17,8	3,43±0,28	18,0	8,00±0,38	12,5
2	26,28±0,44	10,3	47,18±4,26	17,0	6,67±0,54	18,4	8,44±0,47	18,6
3	26,90±0,71	11,9	65,10±2,47	14,9	23,46±1,13	19,2	12,18±0,41	16,8
4	27,11±0,60	9,7	57,89±3,28	20,1	26,86±1,72	17,3	9,88±0,54	18,3
5	27,33±0,48	11,3	62,70±4,21	18,9	31,80±3,03	19,5	10,25±0,53	14,5
6	27,41±0,75	10,8	52,21±4,63	21,9	29,82±1,50	18,6	10,33±1,2	20,2
7	26,50±0,56	8,3	54,76±4,18	19,4	24,85±1,62	20,1	10,56±0,93	20,5
8	27,20±0,43	9,4	56,43±4,78	16,0	27,07±1,94	19,9	9,92±1,15	17,5
9	27,15±0,28	8,3	55,84±3,96	18,2	29,14±1,29	18,3	10,97±0,95	14,3
10	26,84±0,21	6,8	54,75±4,14	20,0	26,95±2,16	18,7	10,43±0,43	10,9
11	27,44±0,30	7,3	43,26±3,13	16,8	5,81±0,44	17,4	7,33±0,56	11,4
12	26,56±0,51	10,6	48,77±4,14	19,5	2,60±0,19	18,2	8,55±0,42	14,7
13	27,07±0,46	7,7	46,16±3,93	20,8	6,76±0,37	19,0	8,19±0,55	16,2
14	27,08±0,62	12,0	58,73±4,79	16,6	25,91±1,56	16,2	10,01±0,63	12,2
15	27,51±0,86	11,4	61,09±4,23	20,5	29,76±1,52	20,2	10,14±0,72	18,6
16	27,44±0,53	9,9	57,70±4,66	15,2	27,49±2,10	17,0	9,21±0,44	12,8
17	27,82±0,59	10,6	61,73±4,24	21,5	31,41±2,83	17,3	9,00±0,73	13,0

 

В результате однофакторного дисперсионного анализа установлено, что наибольшее влияние на потенциальную фертильность пыльцы J. deltoides, практически в равной степени, оказывают высота над уровнем моря и эдафические условия мест произрастания особей (6,38% и 6,50% соответственно). Наименьшее число потенциально фертильной пыльцы – 47,2%, выявлено в нижнем высотном поясе (до 100 м н.у.м.). С увеличением высоты над уровнем моря возрастает и доля прокрашенной пыльцы. В высотном диапазоне от 500 до 700 м н.у.м. этот показатель достигает почти 63%. Подобное явление можно объяснить, в первую очередь, температурным режимом, который оказывает основное воздействие на развитие пыльцевых зёрен можжевельников [6].

Среди эдафических условий мест произрастания, наиболее благоприятным для развития пыльцевых зёрен J. deltoides является сухой можжевеловый сугрудок (С₁). Число потенциально фертильной пыльцы в данных условиях составляет 62,7%. В сложных почвенных условиях сухого можжевелового бора этот показатель снижается и составляет 52,2%. Подобная закономерность объясняется практически полным отсутствием плодородного слоя и низкой увлажненностью почвы, приводящим к снижению функционирования мужских генеративных структур.

Вторым, по величине воздействия (сила влияния – 3,12%) на развитие пыльцевых зёрен J. deltoides в горах Крыма выступает антропогенный фактор. Установлено, что с увеличением антропогенного прессинга на можжевеловые древостои снижается доля потенциально фертильной пыльцы. На пробных площадях, характеризующимися значительной антропогенной нарушенностью, доля потенциально фертильной пыльцы колеблется в диапазоне 43–48%. В древостоях, произрастающих на заповедных территориях, или просто не подверженных активной рекреационной нагрузке, изученный показатель, в среднем – 60,6% [3; 16]. Подобное явление можно объяснить общим снижением жизненного состояния растений на антропогенно нарушенных территориях.

Крайне незначительное воздействие на потенциальную фертильность пыльцевых зёрен J. deltoides оказывают локализация мест произрастания и экспозиция склона. Сила влияния факторов составляет 1,53% и 1,01% соответственно. Локальный фактор проявляет закономерности подобные, отмеченным ранее, для воздействия высоты мест произрастания особей над уровнем моря. Так, в древостоях северной группы, доля потенциально фертильной пыльцы – 60,0%. Среди основных климатических факторов, влияющих на развитие мужской репродуктивной сферы J. deltoides, исследователи выделяют влажность воздуха, которая в условиях северной границы крымской популяции вида выше. Экспозиционный фактор подтверждает эту закономерность. В древостоях, произрастающих на участках с западной экспозицией, доля потенциально фертильной пыльцы максимальная и составляет 57,7%.

При проведении интегральной оценки качества пыльцы крымской популяции J. deltoides установлено, что подавляющее большинство особей (64,71%) характеризуется хорошим качеством пыльцевых зёрен. Особей с низким качеством пыльцы, в пределах популяции, не было обнаружено вовсе. Что позволяет судить, о высокой потенциальной оплодотворяющей способности пыльцы, которая, в свою очередь, влияет на полнозернистость семян и, как следствие, интенсивность естественного возобновления древостоев J. deltoides в Горном Крыму.

Среди ведущих факторов, оказывающих влияние на качество пыльцы J. deltoides, можно выделить эдафические условия и высоту над уровнем моря мест произрастания древостоев, а также антропогенное воздействие. Необходимо отметить, что сила влияния последнего фактора проявлена значительно сильнее, нежели в определении потенциальной фертильности пыльцевых зёрен и составляет 13,22%. В условиях низкой рекреационной нагрузке качество пыльцы, в среднем, оценивается на 15% выше, чем на участках с высокой степенью антропогенной нагрузки. На пробной площади № 11 (г. Папая-Кая) отмечается удовлетворительное качество пыльцы, что, в свою очередь, приводит к низкому качеству семян особей, произрастающих на данной территории. Необходимо отметить, что г. Папая-Кая является заповедной территорией, а именно Государственным природным заказником регионального значения Республики Крым «Папая-Кая». Однако, подобный охранный статус территории не препятствует противозаконной колоссальной туристической деятельности в реликтовых можжевеловых древостоях. В результате чего, требуется ужесточение охранных мероприятий на данной территории.

Влияние эдафических и высотных факторов на качество пыльцы проявляет схожую зависимость с воздействием на фертильность пыльцевых зёрен. Так, древостои, произрастающие в нижнем высотном поясе, характеризуются удовлетворительным качеством пыльцы. При увеличении высоты над уровнем моря качество пыльцы возрастает. С улучшением эдафических условий так же прослеживается динамика на увеличение качества пыльцевых зёрен, при этом, во всех почвенных условиях среднее качество пыльцы – хорошее.

В меньшей степени проявляется влияние локального и экспозиционного факторов на интегральный показатель качества пыльцы. Древостои всех региональных групп и экспозиций склона, в целом, характеризуются хорошим качеством пыльцы.

В ходе проведения корреляционного анализа, установлена прямая связь качества пыльцы с размером пыльцевых зёрен. Коэффициент корреляции фертильности пыльцы от её размеров составляет 0,43. То есть при увеличении размеров пыльцы увеличивается и доля фертильных пыльцевых зёрен. Ранее было отмечено, что стерильные пыльцевые зерна, в среднем на 5–10% меньше, чем фертильные. При этом качество пыльцы в меньшей степени зависит её размеров (r = 0,16–0,23). Максимальная корреляция прослеживается между фертильностью пыльцы и её качеством (r = 0,73).

Таким образом, проведённые исследования, позволяют судить о высокой потенциальной оплодотворяющей способности пыльцевых зёрен J. deltoides в Горном Крыму. Однако, низкий уровень полнозернистости семян определяет необходимость определения не только оплодотворяющей способности пыльцы, а и её жизнеспособности путем проращивания на искусственной среде.

В ходе проведенных исследований установлено, что, в среднем, доля проросшей пыльцы J. deltoides в Горном Крыму низкая и составляет 20,16±1,12%. Показатель прорастания пыльцы имеет средний уровень изменчивости признака. Практически полным отсутствием проросшей пыльцы характеризуются особи, произрастающие на пробной площади № 12 (г. Коба-Кая) и № 1 (окрестности пгт. Инкерман). На долю жизнеспособных пыльцевых зёрен в данных древостоях приходится всего 2,60% и 3,43% соответственно (табл. 2). Эти территории находятся в различных частях Крымского полуострова, однако обе подвергаются значительному антропогенному прессингу. Максимальное количество жизнеспособной пыльцы отмечено на пробной площади № 5 (г. Толака-Баир) – 31,80±3,03%. В силу своей значительной удалённости от селитебной зоны данная территория в наименьшей степени испытывает на себе последствия деятельности человека. Согласно данным А.И. Ругузовой [15], в 2006 году максимальная доля проросшей пыльцы составляла 78,4%, что почти в 2,5 раза больше, что, в свою очередь, свидетельствует о погодичной динамике качества пыльцы исследуемого вида. При этом, в отличии от пыльцы J. excelsa [14] тератологии пыльцевых зёрен и трубок отмечено не было (рис. 2).

Однофакторный дисперсионный анализ показал, что основным фактором, оказывающим воздействие на жизнеспособность пыльцевых зёрен, выступает антропогенная нагрузка территории (сила влияния – 51,63%). Средняя доля проросшей пыльцы на значительно антропогенно нарушенных участках составляет 12,0±1,26%, что в 2,3 раза ниже, чем у особей, произрастающих на не нарушенных территориях. Из литературных источников известно, что на формирование пыльцы оказывает воздействие загрязнение окружающей среды, возникающее в результате хозяйственной или рекреационной деятельности человека [21; 25; 29].

 

Рис. 2. Проросшие пыльцевые зерна J. deltoides в Горном Крыму

 

Кроме того, к ведущим факторам, влияющим на качество пыльцы, относятся локализация и высота мест произрастания над уровнем моря. Сила их воздействия составляет 24,90% и 40,64% соответственно. Установлено, что наименьшая доля жизнеспособной пыльцы (12,90%) формируется у особей, произрастающих в нижнем высотном поясе (до 100 м н.у.м). С увеличением высоты над уровнем моря возрастает и доля проросших пыльцевых зёрен. Так, на высоте более 600 м н.у.м. данный показатель почти в 2,5 раза выше и составляет 31,80%. Подобное явление можно объяснить различием во влажностном режиме. Из литературных данных известно, что на качество пыльцы оказывает влияние количество осадков и температура воздуха в период вылета пыльцы [20; 24; 28].

Выявлено, что в восточной части крымской популяции J. deltoides качество пыльцевых зёрен ниже, чем в других регионах. Доля проросшей пыльцы составляет 14,20%. Древостои J. deltoides в восточном Крыму находятся в пределах зон неорганизованного отдыха туристов, в результате чего сильнее подвергаются негативному воздействию со стороны человека. Северные части популяции подвергаются физическому уничтожению, однако данные территории имеют значительно меньшую густоту населения и низкий уровень туристической нагрузки на регион. В результате чего доля жизнеспособной пыльцы составляет 29,50%, что в 2 раза выше, чем на востоке полуострова. Кроме того, данные территории разнятся по сумме годовых осадков.

В меньшей степени (4,41%) проявляется влияние экспозиционного фактора. Выявлено, что немного меньше жизнеспособных пыльцевых зёрен (их доля составляет 17,82%) у особей, произрастающих на слабо прогреваемых участках с северо-восточной и западной экспозициями. Достоверного влияния эдафических условий мест произрастания древостоев на качество их пыльцы установлено не было.

Таким образом, полученные результаты позволяют говорить о низком качестве мужского гаметофита и, как следствие, сложности при прорастании. На основании чего возникает необходимость в определении причин, приведших к низкой жизнеспособности пыльцевых зёрен.

Заключение.

В ходе проведенных исследований установлено, что средний диаметр фертильных пыльцевых зёрен J. deltoides является генетически закрепленным признаком и составляет 27,08±0,49 мкм (CV ≤ 12%). Среди ведущих факторов, оказывающих влияние на размеры пыльцевых зёрен, можно выделить высоту над уровнем моря (6,38%) и эдафические условия (6,50%) мест произрастания древостоев.

Установлено, что на долю потенциально жизнеспособной пыльцы J. deltoides приходится 55,19±3,84% от общего количества пыльцевых зёрен. Интегральная оценка качества пыльцевых зёрен свидетельствует о том, что 64,71% особей характеризуются хорошем качеством пыльцы.

При оценке жизнеспособности пыльцы J. deltoides установлено, доля проросшей пыльцы J. deltoides в Горном Крыму низкая и составляет 20,16±1,12% (CV ≤ 20%). В пределах большинства пробных площадей отношение проросшей пыльцы к прокрашенной составляет 1:2 – 1:3. Однако отмечены древостои, где данный показатель составляет 1:16 – 1:24. Такие пробные площади подвергаются активному антропогенному прессингу, сила влияния фактора – 51,63%. Кроме того, к ведущим факторам, влияющим на качество пыльцы, относятся регион и высота мест произрастания над уровнем моря. Сила их воздействия составляет 24,90% и 40,64% соответственно.

About the authors

Yurii V. Plugatar

The Nikitsky Botanical Gardens - National Scientific Center of the RAS

Author for correspondence.
Email: plugatar.y@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5262-8957

Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Agricultural Sciences

Russian Federation, Yalta

Olesya O. Korenkova

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Email: o.o.korenkova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6482-7312

Candidate of Biological Sciences

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files