Статья: Опыление и рост пыльцевых трубок у можжевельника обыкновенного (Juniperus communis L.: Cupressaceae Rich. ex Bartl.)

Пыльцевой режим

Пыльцевой режим в природных популяциях можжевельника изучали в северной тайге (Архангельская область) в 2007, 2010 и 2016 гг.

Опыт 2007 г. Опытный участок - двухъярусный древостой. Состав первого яруса 10Лц, второго - 8Е2Б. Средний возраст деревьев первого яруса около 350 лет, средняя высота 36 м, средний диаметр 80 см. Суммарная полнота обоих ярусов 0,5. Сомкнутость можжевелового подлеска около 40 %, характер размещения его - равномерный, местами он образует труднопроходимые заросли. Старые растения представляют стланиковую форму. У наиболее крупных особей диаметр у шейки корня превышает 30 см. Точно их возраст определить не представляется возможным, поскольку все они поражены сердцевинной гнилью. Приблизительно он равен возрасту лиственницы. Возобновление преимущественно вегетативное, корневой порослью (отводками). По половому признаку в составе можжевелового подлеска количественно доминируют женские особи, доля мужских особей не превышает 15 %.

С 28 июня установилась довольно жаркая (до 30 °С) сухая погода, сохранившаяся до 4 июля, после чего наступило резкое похолодание и пошли дожди. Пыление единичных деревьев можжевельника началось 1 июля, массовое пыление наблюдалось 3 июля и продолжалось оно всего несколько часов (рис. 1). После наступления дождливого периода пыление можжевельника практически полностью прекратилось.

A

В

01.07 02.07 03.07 04.07 05.07 06.07

Рис. 1. Пыльцевой режим в природной популяции можжевельника в 2007 г.: a - гистограмма; b - кумулята

Суммарное количество уловленной пыльцы за весь период пыления можжевельника составило 6,84 пыльцевых зерна на 1 мм² регистрирующей поверхности. Высокие концентрации пыльцы в воздухе наблюдались в течение очень короткого промежутка времени: более 80 % всего количества пыльцы было уловлено в течение 2 ч, почти 90 % - в течение 4 ч. Хотя весь период пыления можжевельника составил около недели, концентрации его пыльцы в воздухе, за исключением этого очень короткого промежутка, были крайне низкими.

Опыт 2010 г. Опытный участок - редкостойный ельник, граничащий с верховым болотом, с довольно густым (проективное покрытие около 30 %) подлеском из можжевельника. Средний возраст можжевельников около 100 лет. Соотношение мужских и женских особей примерно 1:1.

К концу июня установилась умеренно теплая, временами дождливая погода. Слабое пыление единичных мужских особей можжевельника началось 26 июня, однако концентрации пыльцы в воздухе в это время были крайне низкими. Массовое пыление наблюдалось на следующий день - 27 июня, и пришлось на ранние послеполуденные часы. К вечеру того же дня пыление можжевельника практически полностью прекратилось. Суммарное количество пыльцы за весь период пыления можжевельника составило 19,64 пыльцевых зерна на 1 мм² регистрирующей поверхности. Однако временной отрезок высокой концентрации пыльцы в воздухе был очень короткий: 95,7 % всего количества пыльцы было уловлено в течение 3,6 ч, 98,2 % - в течение 6 ч. Весь период пыления можжевельника составил около двух суток, однако концентрации его пыльцы в воздухе, за исключением этого очень короткого промежутка времени, приходящегося на послеполуденные часы, были крайне низкими (рис. 2).

Опыт 2016 г. Опытный участок - широкая долина ручья с пологими склонами, густо заросшими можжевельниками. Растения кустообразной формы, сильно переплетенные в комлевой части, высотой 1,5-2,5 (3,5) м. Возраст растений около 200 лет. Соотношение мужских и женских особей примерно одинаково, с небольшим преобладанием доли мужских (в среднем, 54,7 и 45,3 %, соответственно).

Рис. 2. Пыльцевой режим в природной популяции можжевельника в 2010 г.: a - гистограмма; b - кумулята

Пыление у можжевельника началось 14 июня в 12^м и закончилось в тот же день в 22, Продолжительность пыления составила 11 ч. Массовое пыление продолжалось с 13¹² до 18^м, т.е. не более 5 ч (рис. 3). В течение этого времени было уловлено 97,25 % от общего количества пыльцы. Суммарное количество пыльцы за весь период пыления можжевельника составило 16,81 пыльцевых зерна на 1 мм² регистрирующей поверхности.

Пыльцевой режим у можжевельника отличается от общей схемы пыльцевого режима у лесообразующих хвойных видов, у которых общая продолжительность периода пыления может растягиваться на несколько недель (Некрасова, 1983) и для которых характерен синусоидальный тип кривой распределения плотности пыльцевого потока с максимумами в полуденные и минимумами в ночные часы (Сурсо, 2009).

Рис. 3. Пыльцевой режим в природной популяции можжевельника в 2016 г.: a - гистограмма; b - кумулята

У можжевельника такая кривая представлена всего одним максимумом за счет очень короткого (не более 4-6 ч) периода массового пыления, приходящегося на полуденные и ранние предвечерние часы, в течение одних календарных суток. Эта закономерность сохраняется из года в год и не зависит ни от погодных условий в период рецептации, ни от особенностей места произрастания можжевельника.

Таблица 1. Аэродинамические свойства пыльцы хвойных видов (Сурсо, 2009)

* Определялась по верхней границе пыльцевого столбика. ** Определялась по нижней границе пыльцевого столбика.

Пыльцевая продуктивность мужских растений можжевельника, произрастающих в компактных биогруппах на хорошо освещенных склонах, довольно высокая и составляет, по нашим данным, 10¹¹-10¹³ пыльцевых зерен на 1 га. Это сопоставимо с пыльцевой продуктивностью таких хвойных видов, как ель (10¹²-10¹³ шт./га) и сосна (10¹³-10¹⁴ шт./га) (Сурсо, 2009). По своим аэродинамическим характеристикам пыльца можжевельника приближается к тем видам, пыльцевые зерна у которых имеют воздушные мешки (табл. 1).

Следовательно, столь короткий период массового пыления у можжевельника можно объяснить лишь тем, что его разлетающаяся пыльца стартует с очень небольшой высоты. Поэтому почти вся масса производимой пыльцы оседает поблизости от модулятора. Перенос сколько-нибудь значимых объемов пыльцы на большие расстояния у можжевельника маловероятен в силу того же обстоятельства.

Механизм опыления

Ко времени опыления семязачатки можжевельника дифференцированы на интегумент и нуцеллус (рис. 4Ь). В халазальной части нуцеллуса в окружении клеток нуцеллярного тапетума обособляется одна или несколько материнских клеток макроспор. В период рецептации микропилярный канал служит для подъема секреторной жидкости к верхнему кончику микропилярного входа семязачатка. Пыльца улавливается секреторной каплей (рис. 4а), прилипая к ее поверхности. Ретракция секреторной жидкости обеспечивает транслокацию пыльцевых зерен от микропилярного кончика интегумента к верхушке нуцеллуса, где пыльцевые зерна сбрасывают экзину и прорастают. Сразу после опыления микропилярный канал семяпочки в субнуцеллярной зоне почти полностью смыкается вследствие поперечного вытягивания клеток, слагающих внутреннюю поверхность интегумента (рис. 4с). Очень узкое отверстие в микропилярном канале сохраняется на зиму. Окончательная изоляция мегагаметофитов происходит на следующий год после начала формирования «шишкоягоды», когда клетки внутренних поверхностей смежных мегаспорофиллов смыкаются в проксимальной части путем зубчатой «сшивки».

Опылительная капля

Рис. 4. Семязачатки можжевельника непосредственно перед (а, b) и вскоре после (c) опыления (микротомные срезы окрашены метиловым зеленым - пиронином G): int - интегумент, nuc - нуцеллус, mp - микропиле, sc - покровные чешуи семязачатка, msp - мегаспорофилл, scn - секреторные клетки нуцеллуса

Важную роль в процессе опыления (улавливание пыльцы и транслокация пыльцевого зерна к нуцеллусу семязачатка) у Juniperus играет опылительная капля, скапливающаяся на верхушке микропиле семязачатка в период рецептации. Дж. Оуэнс с соавт. (Owens et а1., 1998) полагают, что опылительная капля у большинства хвойных секретируется апикальными клетками нуцеллуса, но, возможно, также клетками тканей мегагаметофита и интегумента. У можжевельника, на наш взгляд, вероятнее всего, секрет вырабатывается несколькими клетками апикальной зоны нуцеллуса. На рис. 4 (Ь, с) эти клетки можно идентифицировать по отсутствию в них ядер. Впоследствии эти клетки лизируют, освобождая место для формирования пыльцевой подушки нуцеллуса. Опылительная капля у можжевельника является многофункциональной. Овулярный секрет не только служит для улавливания пыльцевых зерен, но и участвует в процессе узнавания, предотвращает преждевременное сбрасывание экзины, ингибирует развитие микрофлоры и способствует росту и развитию пыльцевых трубок на начальных стадиях прорастания пыльцы.

Опылительная капля реагирует на внешние раздражители. Эта реакция избирательна, что подтверждается результатами экспериментов (табл. 2 и 3).

При опылении рецептивных семязачатков пыльцой можжевельника полная ретракция экссудационного секрета завершилась менее чем за 4 ч. При опылении чужеродной пыльцой значительная часть опылительных капель продолжала оставаться на поверхности семязачатков более 16 ч. При отсутствии опыления экссудационная деятельность микропилярной зоны семязачатков продолжалась не менее 60 ч. Размеры капли при этом увеличились до максимальных, в среднем на 40 %. Наблюдались частые случаи слияния капель двух или всех трех семязачатков в одну общую для макростробила крупную каплю. Через 90 ч на кончиках большинства семязачатков наблюдались уже довольно мелкие капли, многие семязачатки были без капель, крупные капли сохранились лишь на единичных семязачатках.

Таблица 2. Динамика экссудации секреторной жидкости можжевельника в опыте 2015 г. (диаметр опылительной капли: над чертой - мкм, под чертой - % от исходного значения)

Таблица 3. Динамика экссудации секреторной жидкости можжевельника в опыте 2016 г. (диаметр опылительной капли: над чертой - мкм, под чертой - % от исходного значения)

Через 120 ч у всех неопыленных семязачатков произошла полная ретракция секреторной жидкости. Опыты по искусственному опылению секреторной капли силикагелями с частицами различного диаметра показали, что их размер влияет на продолжительность экссудации и скорость ретракции секреторной жидкости. Чем крупнее частицы силикагеля, тем дольше задерживается ретракция опылительной капли. Крупные частицы (диаметром более 40 мкм) не могут проникнуть в узкий микропилярный канал семязачатка и скапливаются у его входа снаружи. Частицы силикагеля, близкие по размерам к пыльцевым зернам можжевельника, свободно проникают внутрь семязачатка, втягиваясь туда вместе с секреторной жидкостью. Приведенные данные подтверждают результаты экспериментов С. Мугнайни с соавт. по искусственному опылению секреторной капли силикагелями с размерами частиц разного диаметра (М^паЫ et а1., 2007а). В своих исследованиях эти авторы также доказали влияние размера частиц силикагелей на продолжительность экссудации и скорость ретракции секрета рецептивных семязачатков можжевельника.

В составе летучих фракций органических соединений опылительной капли можжевельника выявлено около 40 веществ, принадлежащих к различным классам. Процентное соотношение этих фракций составляет: алканы - 33,79 %, монотерпены - 0,29 %, тритерпены - 16,97 %, сесквитерпеновые спирты - 1,33 %, сложные эфиры - 18,41 %, карбоновые кислоты - 1,81 %, амиды карбоновых кислот - 8,81 %. Следует отметить высокое содержание сквалена (соединения тритерпенового ряда, принадлежащего к группе каротиноидов) - 14,85 %, а также сложных эфиров, в том числе эфиров фталевой (12,07 %) и трифторуксусной (октатриаконтила трифлуороацетата, принадлежащего к флуорохромам - 8,23 %) кислот.

В состав сахаров опылительной капли можжевельника входят только два моносахарида: глюкоза (65,8 %) и галактоза (34,2 %) (табл. 4). Анализ аминокислотного состава секрета показал, что в нем преобладают L-аргинин (25,5 %), L-аспарагиновая (20,7 %) и L-глутаминовая (15,1 %) кислоты. Отмечено также наличие L-цистеина (3,8 %), глицина (1,9 %), L-гистидина (2,8 %), L-лейцина (7,5 %), L-лизина (2,8 %), L-метионина (2,8 %), L-пролина (3,8 %), L-серина (7,6 %) и L-валина (5,7 %) (табл. 5).

Однако состав аминокислот, как и сахаров, в секреторной капле беднее, а общее содержание на порядок ниже по сравнению с пыльцой.

Следует отметить, что исследований химического состава опылительной капли голосеменных растений крайне мало, и он, в отличие от нектара цветковых (Dumas et al., 1988), все еще остается изученным недостаточно полно. Известно о наличии в нем моно- и дисахаридов, аминокислот, органических кислот (Nepi et al., 2009). Протеомные исследования свидетельствуют о присутствии в нем белков, большинство из которых не идентифицировано (Poulis et al., 2005; Wagner et al., 2007). Сложный химический состав опылительной капли свидетельствует о ее многофункциональности и заслуживает дальнейшего изучения.

Таблица 4. Состав и относительное содержание сахаров в пыльце и овулярном секрете можжевельника обыкновенного

Таблица 5. Состав и относительное содержание аминокислот в пыльце и овулярном секрете можжевельника обыкновенного (над чертой - % от общего количества, под чертой - относительно содержания в пыльце)

Морфология пыльцы

Особенности строения и биометрические параметры пыльцевых зерен определяют их аэродинамические свойства (Schwendemann et al., 2007). Пыльцевые зерна можжевельника одноклеточные и, по сути, являются микроспорами, не проросшими в микрогаметофит. Пыльцевые зерна почти правильной сферической формы, без воздушных мешков, имеют одну функциональную пору (дистальную апертуру), которая у сухой пыльцы прикрыта крышечкой (рис. 5а).