Статья: Структура мужских побегов и качество пыльцы ведьминой метлы сосны обыкновенной

Очень редко у сосны обыкновенной и других древесных растений формируются так называемые «ведьмины мётлы» (далее ВМ). ВМ представляет собой локальную систему ветвления с аномальным морфогенезом. Стороннему наблюдателю она видится как компактный и очень плотный фрагмент кроны дерева (рис. 1).

Рис. 1. «Ведьмина метла» в кроне сосны обыкновенной

сосна паразитарный крона

В зависимости от причины возникновения выделяют два типа ВМ: паразитарные и мутационные [1]. Паразитарные ВМ - результат инвазии растения патогенными организмами. В роли патогенов могут выступать грибы, микоплазмы и вирусы [2-4]. Паразитарные ВМ характеризуются очаговым распространением, болезненным видом, гибелью хвои, угнетением репродуктивной функции и общей тенденцией к отмиранию. Яркий пример - поражение пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) ржавчинным грибом Melampsorella caryophyllacerum G. Schrot. (=M. Cerastii Wint.) [5]. Под действием продуктов метаболизма гриба происходит снятие покоя латентных почек заражённой ветви, вследствие чего формируется ВМ, состоящая из большого числа тонких веточек.

Причина возникновения ВМ второго типа - мутационные изменения в меристеме одной-единственной почки [6], приводящие к нарушению апикального контроля. Поскольку растения являются модульными организмами [7], то вся система побегов, которая образуется из такой почки, будет иметь мутацию. У сосны обыкновенной обильное ветвление мутационных ВМ обеспечивается избыточным заложением боковых почек на весенних побегах и нередко образованием вторых приростов (летних побегов) с мутовкой почек [8]. ВМ мутационного типа отличаются от паразитарных спорадическим распространением, нормальной жизнеспособностью и наличием плодоношения. В них не удаётся обнаружить каких-либо патогенов или следов их жизнедеятельности [9]. Такие мутации относятся к естественным, но у деревьев в природных условиях встречаются крайне редко.

Мутационные ВМ с женским цветением встречаются чаще, чем с мужским. В связи с этим мужская репродуктивная сфера ВМ остаётся почти не изученной. Цель данной статьи - отчасти восполнить этот пробел. В работе представлены результаты исследования структуры побегов мужской сексуализации и качества пыльцы ВМ соcны обыкновенной.

ВМ была обнаружена в средней части кроны (мужском ярусе), на ветви II порядка ветвления. Дерево произрастает в 30 км южнее г. Томска, в окрестностях научного стационара «Кедр» ИМКЭС СО РАН. Для исследования во время пыления с ВМ собирали 8-летние ветви (10 шт.) III порядка ветвления. Для сравнения столько же ветвей собиралось с нормальной части кроны того же дерева (далее НК). Ветви НК брали такого же порядка, что и ВМ, с той же части кроны и экспозиции. У побегов ретроспективно восстанавливали количество и типы закладывавшихся органов. Ограничение исследования только 8-летних ветвей вызвано невозможностью точной идентификации следов органов у 9-летних и старше побегов. На ветвях III и младших порядков ветвления подсчитывали число стерильных катафиллов (чешуй в основании побега), микростробилов (мужских шишек), брахибластов (укороченных побегов, несущих хвою) латентных почек и латеральных ауксибластов (побегов регулярного ветвления). Помимо этого, измерялась общая длина побега, а также его генеративной и вегетативной зон. Размеры микростробилов измерялись под бинокуляром, а пыльцевых зёрен - под микроскопом.

У пыльцы измерялась длина и высота тела зерна и воздушного мешка. Высчитывалась доля нормально развитой пыльцы и аномальной (с морфологическими отклонениями). У аномальной пыльцы определялся процент дегенерировавшей (мелкая и сморщенная пыльца), одноклеточной (без воздушных мешков) и пыльцы с одним воздушным мешком. У нормальной пыльцы (без морфологических нарушений) устанавливали процент фертильной и стерильной. Фертильность определялась по гистохимической реакции запасенного в пыльце крахмала с раствором Люголя [10]. Фертильной считалась пыльца, тело которой заполнено крахмалом полностью или больше чем на 2/3 объёма; стерильной - пустые зёрна и только со следами крахмала. Кроме того, подсчитывались зёрна, заполненные от 1/3 до 2/3 объёма. Корреляции признаков и дисперсионный анализ значимости различий между средними значениями проводили в программном пакете Statistica 6.0.

За 8 лет из боковой почки на побеге II порядка ветвления у ВМ формируется система ветвей, содержащая 5 порядков, у НК - не более 4. Характеристики годичных побегов разных порядков представлены в табл. 1. Побеги ВМ на 35-40% толще НК. По длине побеги III порядка не отличаются от НК, но имеют разное соотношение генеративной и вегетативной зон. У ВМ генеративная зона составляет 1/2, а у НК - 2/3 побега. По общему количеству метамеров (стерильные катафиллы, микростробилы, брахибласты, латентные почки, ауксибласты), закладывающихся на единицу длины побега, ВМ и НК не различаются. Побеги ВМ IV и V порядков длиннее НК на 30 и 17% соответственно за счёт увеличения вегетативной зоны. Ветви НК и ВМ находятся под разной степенью апикального контроля. Побеги IV порядка НК короче предыдущего на 41%, ВМ - на 25%, а следующий порядок у обоих вариантов короче на 34-39%; побеги VI порядка ВМ короче предыдущего на 15% (у НК отсутствуют).

В табл. 1 для ВМ и НК приведены средние значения характеристик побегов IV-VI порядков всех годов кроме самого первого (побеги в первый год на ВМ и НК по всем ростовым характеристикам уступают последующим на 35-40%).

Таблица 1. Морфологические характеристики побегов разных порядков ветвления ВМ и НК

Примечание. Здесь и далее при разных буквенных индексах признака одного порядка ветвления у НК и ВМ различия статистически значимы (p ? 0,05), если индексы одинаковые - статистически значимых различий нет.

Продуктивность побегов (отношение количества микростробилов к длине генеративной части побега) уменьшается с III порядка к V на 20% у НК и на 36% у ВМ. Количество микростробилов на побегах III порядка НК положительно коррелирует с длиной побега и генеративной зоны, а также с количеством брахибластов и отрицательно - с диаметром побега (r = 0,69; 0,57; 0,61 и -0,41 соответственно). С увеличением порядка ветвления корреляция для вышеперечисленных признаков усиливается и на V порядке имеет следующие значения: r = 0,93; 0,87; 0,94 и -0,82.

Побеги III порядка ВМ имеют более слабую корреляцию этих признаков (r = 0,33; 0,60; 0,32 и -0,37), но к V порядку корреляция усиливается, превосходит НК (r = 0,98; 0,94; 0,53) и становится положительной с диаметром побега (r = 0,36).

Ветвление ВМ в несколько раз превосходит НК. В НК закладывается только по 1 ауксибласту и много побегов вообще без ветвления, а у ВМ большая часть побегов III порядка имеет по 2 ауксибласта и ветвление происходит даже на V порядке, что приводит к формированию более сложной структуры ветвления. По количеству латентных почек ВМ и НК не отличаются и закладывают одну в верхней части побега ниже зоны ауксибластов. Образование побегов из латентных почек у НК и ВМ единично. В общей сложности за 8 лет на каждой ветви НК заложилось по 671 микростробилу, на ВМ - в 2,8 раза больше - 1939 (отличия достоверны при p ? 0,01). У НК 40 и 57% микростробилов образовалось на побегах III и IV порядков. У ВМ на побегах III порядка образовалось только 9% микростробилов, а основной вклад в мужское цветение вносят побеги IV и V порядков - 44 и 35% соответственно, 11% образовалось на побегах VI порядка. Микростробилы ВМ короче НК на 10-23% по длине и на 6% тоньше по ширине (см. табл. 1). По морфологическим показателям пыльцы (длина и высота тела зерна и воздушного мешка) достоверных отличий между вариантами не выявлено (табл. 2). Однако в пыльце ВМ в 2 раза больше зёрен с морфологическими отклонениями (23,2%), из них 17,4% - деградированная пыльца (мелкая и сморщенная), 3,6% - пыльца с одним воздушным мешком и 2,2% - одноклеточная пыльца (без воздушных мешков). По содержанию крахмала в нормально развитых зёрнах ВМ и НК отличаются незначительно: у ВМ на 5% меньше неполных зёрен, но чуть больше фертильных и пустых (на 3 и 2% соответственно).

Таблица 2. Морфометрические показатели пыльцевого зерна

До сих пор неизвестно, какая мутация и как вызывает нарушение апикального контроля, приводящее к морфологическим изменениям и образованию ВМ у хвойных. Рост и структура побегов хвойных зависят как от внутренних, так и от внешних факторов. Последние в нашем случае не представляют интереса. Возможно, внутренняя причина, вызывающая образование аномальной формы роста, - это нарушения гормонального фона. Ауксин является основным гормоном, определяющим характер роста и структуру побега, а также апикальный контроль и апикальное доминирование. Здесь и далее автор придерживается точки зрения Б. Вильсона о необходимости различать термины «апикальное доминирование» и «апикальный контроль»: под первым понимается доминирование верхушечной почки над боковыми (широко распространено у травянистых растений, а у древесных существует только в первый год роста побега), под вторым - контроль лидирующим побегом линейного и радиального роста боковых ветвей в последующие годы [11, 12]. У арабидопсиса (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) описаны мутации генов, отвечающих за синтез и транспорт ауксина и его предшественников, приводящие к карликовости, а также к нарушениям апикального доминирования и морфогенеза (изменение листьев, цветков и корней) [13].

Вполне возможно, что мутация типа ВМ у хвойных имеет такую же природу, но ослабления апикального доминирования не происходит или оно незначительное, а вот апикальный контроль ослабевает. Уменьшение на 35- 40% ростовых характеристик побегов младших порядков ветвления в первый год (по сравнению со старшим) и увеличение ростовых характеристик в последующие годы говорит в пользу данной гипотезы. Это может быть связано именно с нарушением активного транспорта ауксина: на близких расстояниях его концентрации хватает для осуществления апикального доминирования, но на дальних его уже недостаточно для полноценного апикального контроля. Ослабление апикального контроля побега над осями младших порядков ветвления, по-видимому, позволяет им закладывать больше ауксибластов.

В образующихся новых апексах, являющихся дополнительными акцепторами питательных веществ, индуцируется бтльшая закладка органов ассимиляции - брахибластов, несущих хвою, что увеличивает вегетативную зону побегов ВМ в ущерб генеративной зоне, где недостаток ауксина сказывается на уменьшении размеров микростробилов и приводит к образованию бтльшего процента пыльцевых зёрен с морфологическими отклонениями. Однако гистохимический тест не выявил среди нормально развитых пыльцевых зёрен существенных изменений в накоплении крахмала, что говорит о способности ВМ образовывать фертильную пыльцу.

В литературе много работ посвящено исследованию селекционной ценности ВМ и характеру наследования мутантных признаков у семенного потомства [14-18]. Установлено, что только часть семян ВМ от свободного пыления наследует признаки, характерные для материнской ВМ, остальные же имеют обычные ростовые характеристики. Расщепление сеянцев F1 в соотношении, близком 1:1, однозначно говорит о доминантном характере мутации. Сеянцы с ВМ и НК по ростовым характеристикам в первый год развития могут различаться или нет. Это зависит от развитости мегастробил и семян материнской ВМ. Если мегастробилы и семена с ВМ и НК не отличаются, то и однолетние сеянцы не отличаются по всхожести и ростовым характеристикам, а ясно видимые различия появляются на второй год [14].

Однако гораздо чаще шишки ВМ мелкие, вытянутые и не полностью раскрывающиеся [19]. Семена также мелкие, с большим процентом пустых [6, 20], в связи с этим снижены всхожесть семян, жизне- и конкурентоспособность сеянцев в первые годы жизни в природных условиях. Поскольку ВМ способны образовывать микростробилы с фертильной пыльцой, можно ожидать появление нормально развитых семян при опылении женских шишек НК пыльцой с ВМ; половина сеянцев будет также иметь мутацию. Повышение частоты встречаемости ВМ, связанное с усилением антропогенной нагрузки [21], может увеличить пул продуцируемой ими пыльцы, что в свою очередь может являться фактором увеличения количества деревьев с аномальными формами роста в лесах.

Литература

1. Brown C.L., Sommer H.E., Wetzstein H. Morphological and histological differences in development of dwarf mutants of sexual and somatic origin in diverse woody taxa // Trees: structure and function. 1994. № 9. Р. 61-66.

2. Bos L. A witches' broom virus disease of Vaccinium myrtillus in the Netherlands // T. Pl. Ziekten. 1960. Vol. 66. Р. 259-263.

3. Kaminska M., Sliwa H., Rudzinska-Langwald A. Association of Phytoplasma with Stunting, Leaf Necrosis and Witches' Broom Symptoms in Magnolia Plants // J. Phytopathology. 2001. № 149. Р. 719-724

4. Kuz'michev E.P., Sokolova E.S., Kulikova E.G. Common Fungai Diseases of Russian Forests // 2001. Gen. Tech. Rep. NE-279. Newtown Square, Pa: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Northeastern Reseach Station. 137 p.