Дешко Л.О. Внутрішньовидова мінливість сосни звичайної в географічних культурах за цитологічними показниками

Короткий зміст

Внутрішньовидова мінливість деревних порід. Географічна мінливість сосни звичайної (огляд літератури)

Проаналізовано результати вивчення внутрішньовидової мінливості деревних порід в природних умовах та в географічних культурах; шляхи утворення внутрішньовидового різноманіття; характеристики географічної мінливості сосни звичайної. Обгрунтовано необхідність застосування, поряд із традиційними, лісівничо-таксаційними дослідженнями, цитологічних методів вивчення мінливості сосни звичайної в географічних культурах.

Програма, об'єкти та методика досліджень

Програма досліджень, що спрямована на досягнення поставленої мети, передбачала: вивчення мінливості росту за діаметром та висотою, продуктивності та якісних характеристик кліматипів сосни звичайної у І та ІІ поколіннях; дослідження мінливості пилку різних географічних походжень сосни звичайної І покоління; вивчення мінливості лабораторної схожості насіння І та ІІ поколінь; дослідження мінливості мітотичної активності апікальних меристем  корінців проростків насіння різних географічних походжень сосни звичайної І та ІІ поколінь; проведення кореляційного аналізу усіх вивчених показників з деякими географічно-кліматичними характеристиками регіону походження насіння та між собою.

Об'єктами досліджень були географічні культури сосни звичайної І та ІІ поколінь Краснотростянецької лісової науково-дослідної станції Сумської області, Зміївського ДЛГ Харківської області. Географічні культури І покоління було створено на Краснотростянецькій лісовій науково-дослідній станції у 1928-30 роках. Тут представлено сосни з 224 лісництв 92 районів колишнього СРСР. Клонова плантація географічних походжень І покоління Зміївського ДЛГ створена у 1974 році. Географічні культури ІІ покоління закладено в 1965 році у Тростянецькому ДЛГ. Насіння для створення ІІ покоління культур було зібрано у культурах 1928-30 років. Тут представлено 20 походжень сосни звичайної.

Для досліджень було відібрано походження, що максимально повно репрезентують основні типові частини ареалу сосни звичайної, тобто: архангельське, полоцьке, бобруйське, брянське, місцеве (тростянецьке), в'ятське, саратовське, бузулукське, кокчетавське, акмолинське, грузинське. У всіх вищезгаданих походженнях провадили лісотаксаційні та полінологічні дослідження. Вивчення насіння провадили у І поколінні в грузинському, тростянецькому, саратовському, брянському, кокчетавському, полоцькому, в'ятському та архангельському походженнях; у ІІ-му – в грузинському, тростянецькому, кокчетавському та архангельському. Саме ці кліматипи було відібрано як найбільш відмінні за географічно-кліматичними характеристиками регіону походження насіння.

Вивчення лісівничо-таксаційних характеристик, цитологічні дослідження пилку (вивчення морфометричних, гістохімічних показників, життєздатності та фертильності) провадили за загальноприйнятими методиками [Н.Т. Анучин, 1982; М.М. Вересин,1985; В.П. Размологов, 1964; О.И. Кириченко, 1982; Т.П. Некрасова, 1983]. Визначення мітотичної активності клітин провадили цитологічними методами [Е.Г. Шоферистова, 1973], модифікованими для сосни звичайної. Кінчики корінців пророщеного насіння фіксували в оцтово-спиртовому розчині тричі на добу (о 8, 16 та 24 годині): для кожного  походження було  зроблено по 9-10 фіксацій. У кожній фіксації було проглянуто по 1,5 – 2,5 тис. клітин. На виготовлених тимчасових чавлених препаратах апікальних меристем кінчиків корінців проростків насіння визначали рівень мітотичного індексу (МI) – відношення кількості клітин,  що діляться, до загальної кількості клітин, які було проглянуто – для  кожної фіксації в кожному походженні. Також визначали індекси фаз мітозу; коефіцієнти фаз та профазний індекс.

Статистичну обробку отриманих результатів та їх кореляційний аналіз провадили методами математичної статистики за допомогою пакету Microsoft Excel.

Сучасний ареал та внутрішньовидова систематика сосни звичайної. Географічно-кліматичні характеристики походжень

Сосна звичайна у Євразії має широке розповсюдження [Л.Ф. Правдин, 1964]. Визначено деякі  географічно-кліматичні характеристики регіонів походження насіння для кліматипів, що вивчалися. Проведені розрахунки показали, що межі коливання даних характеристик досить значні, наприклад: значення коефіцієнту континентальності по походженнях коливається від 0,823 (архангельський кліматип) до 0,942 (кокчетавський), середньорічна сума опадів – від 281 мм (кокчетавський) до 888 мм (грузинський), сума зимових температур – від 187,50 (грузинський) до -1462,40 (акмолинський) і т.д. До того ж, відібрані нами кліматипи належать до різних підвидів сосни звичайної за Л.Ф. Правдіним: архангельське – P. sylvestris subsp. lapponica Fries; грузинське – P. sylvestris subsp. hamata (Steven) Fomin; кокчетавське та акмолинське – P. sylvestris subsp. kulundensis Sukaczew; місцеве, брянське, бобруйське, в'ятське, полоцьке, саратовське та бузулуцьке – Pinus sylvestris L. subsp. sylvestris  L. Таким чином,  популяції сосни звичайної, які сформовані в різних кліматичних умовах, у вирівняних умовах географічних культур, на нашу думку, будуть проявляти значну мінливість.

Мінливість ростових процесів сосни звичайної в географічних культурах І та ІІ поколінь.

Вивчення мінливості таксаційних характеристик різних географічних походжень сосни звичайної у І поколінні в 70-річному віці показало, що найменшу середню висоту має кокчетавське походження – 20,5 м; найбільшу – бобруйське походження – 30,2 м. Середня висота сосон місцевого (тростянецького) походження 27,9 м. Найбільшим діаметром вирізняється місцеве походження (31,8 см), найменшим – архангельське (26,3 см). Найбільший об'єм стовбура середнього дерева характерний для сосон місцевого та бузулуцького походжень (0,976 та 1,012 м3 відповідно), найменший – для архангельського походження (0,521 м3).

Майже усі походження з північної і північно-західної частини Європейської Росії  та з Білорусі (полоцьке, брянське, бобруйське) мають добру очищеність від сучків (іноді навіть кращу, ніж у місцевої), гірша очищеність – спостерігається у  сосон південного та східних походжень (грузинське, кокчетавське, акмолинське).

Північні та західні європейські кліматипи формують рівні стовбури майже без ознак викривлення (бобруйський – 76,2% дерев з рівними стовбурами, в'ятський – 70,6%, полоцький – 69,8%). Кокчетавське походження характеризується доволі високою часткою кривих стовбурів; грузинський кліматип вирізняється наявністю дерев з дуже викривленими у верхній частині стовбурами. Таким чином, спостерігається тенденція до збільшення відсотку викривлених стовбурів  з півночі на південь та з заходу на схід.

Статистичним аналізом виявлено, що тільки бобруйське походження вірогідно перевищує за висотою місцеве (tфакт=2,14; tтеор=2,02). Грузинське, кокчетавське та архангельське походження вірогідно відстають за ростом від місцевих сосон (tфакт=2,46; tфакт=6,46; tфакт=5,84 відповідно).

На основі результатів вивчення географічних культур, які провадились лабораторією селекції УкрНДІЛГА у попередні роки [І.М. Патлай, 1990] та наших досліджень визначено особливості  швидкості росту різних кліматипів сосни звичайної в географічних культурах протягом 50 років до 70-річного віку. Динаміка росту у висоту різних географічних походжень порівняно з місцевою показала, що кліматипи з районів, розташованих на північ та захід від місця росту культур, менше відстають у рості, ніж кліматипи з південних та східних районів. Причому, що далі розташоване місце збору насіння, то більша різниця у рості. Окремо треба звернути увагу на те, що брянське та бузулуцьке походження в останні роки перевищують за висотою місцеве (тростянецьке) походження. Динаміка збільшення середніх діаметрів сосон різного географічного походження  свідчить, що протягом останніх 40 років росту культур жодне з вивчених географічних походжень не перевищувало за цим показником місцеву сосну. Також можна відзначити, що, на відміну від середніх висот, відставання від місцевої за значенням середніх діаметрів більше у північних та західних сосон, ніж у південних та східних.

Проведені таксаційні дослідження географічних культур сосни звичайної ІІ покоління показали, що найбільшою середньою висотою вирізняється бобруйське походження (20,5 м), найменшою – грузинське (13,4 м); найбільшим діаметром вирізняється саратовське походження (20,6 см), найменшим – в'ятське та архангельське (17,1 см); максимальний об'єм стовбура середнього дерева виявлено у саратовського походження (0,281 м3), мінімальний – у грузинського та архангельського (0,186 м3).

Усі походження з західної частини Європейської Росії та Білорусі у ІІ поколінні характеризуються доброю очищеністю від сучків (брянське, полоцьке та бобруйське). Кліматипи з півночі Європейської Росії (архангельське та в'ятське) характеризується середньою та поганою очищеністю від сучків. Стосовно якості стовбурів можна сказати, що досить високий відсоток дерев зі значними вадами характерний для грузинського походження. Цей кліматип і в І поколінні географічних культур вирізняється наявністю сильно викривлених стовбурів.

Статистичний аналіз різниць середніх висот порівняно з місцевими (насіння для  його вирощування зібране в географічних культурах І покоління) показав, що бузулуцьке, бобруйське, полоцьке, в'ятське, архангельське та кокчетавське походження вірогідно перевищують його; середня висота дерев грузинського походження вірогідно нижча від місцевої. Порівняно з контролем (вирощеним із  загального збору насіння Тростянецького держлісгоспу), вірогідно вищим за висотою виявилося тільки бобруйське походження, за діаметром жодне з походжень вірогідно не перевищують контроль.

Бобруйське походження у І і у ІІ поколіннях географічних культур перевищує місцеві сосни за висотою, що підтверджує доцільність внесення його у Державний Реєстр сортів як сорту-популяції сосни звичайної.

Кореляційний аналіз таксаційних показників вивчених кліматипів з географічно-кліматичними характеристиками виявив в обох поколіннях тенденцію до негативного зв'язку між середнім діаметром дерев та широтою регіону, звідки було одержано насіння: у І поколінні коефіцієнт кореляції дорівнює -0,440, у ІІ – -0,505. Таким чином, на таксаційному рівні підтверджено висновок, що переміщення насіння в широтному напрямку більше впливає на ріст культур, ніж переміщення за довготою.

Мінливість пилку різних географічних походжень сосни звичайної в географічних культурах.

При вивченні лісових деревних порід з тривалим життєвим циклом дуже важливим є визначення біологічних маркерів швидкості росту та продуктивності насадження. Саме тому вивчалась внутрішньовидова мінливість сосни звичайної в географічних культурах на рівні пилку та насіння і визначались кореляційні зв'язки таксаційних характеристик кліматипів з цитологічними показниками їх пилку та насіння.

Одними з важливих характеристик пилку є морфометричні показники, зокрема, середня загальна довжина пилкового зерна (Е), довжина тіла пилкового зерна (А), висота тіла пилкового зерна (В). В дисертаційній роботі визначено, що значення Е коливаються у межах від 59,43 мкм (у бобруйському походженні) до 73,39 мкм (в архангельському). Значення А найбільше в архангельському походженні – 46,28 мкм, найменше – в бобруйському походженні – 36,37 мкм. Значення В коливаються у  межах вiд 34,13 мкм (грузинське походження) до 38,19 мкм (тростянецьке походження). Значення коефіцієнтів варіації морфометричних показників доволі низькі – коливаються у межах від  1,88 до 11,70 %. Таким чином, вони є стабільними ознаками для кожного кліматипу.

Кореляційним аналізом визначених морфометричних показникiв пилку з деякими географiчно-кліматичними характеристиками регіону походження насіння виявлено залежність показника середньої загальної довжини пилкового зерна від географічної широти регіону походження насіння (r=0,651 при пороговому рівні 0,640) – що північніше розташовано місце збору насіння кліматипів сосни звичайної, то більша середня довжина пилкового зерна. 

Одним із найважливіших показників ступеню адаптованості рослинного організму є життєздатність пилку. Вивчення мінливості життєздатності пилку протягом 3-х років показало, що кращими кліматипами сосни звичайної за показником  максимальної життєздатності виявилися місцеве (1996 рік – 91,40%; 1997 рік – 82,80%; 1998 рік – 91,42%), грузинське (84,20%, 90,51%, 87,46%), брянське (90,11%, 96,82%, 81,58%), бобруйське (89,63%, 95,32%, 87,00%) та полоцьке (87,84%, 92,37%, 80,54%) походження; кращими за показником середньої життєздатності – місцеве, грузинське, бузулуцьке, брянське, бобруйське та полоцьке (рис. 1). Таким чином, окрім грузинського, кращими за цим показником, як і за таксаційними характеристиками, є походження із західної частини Європейської Росії та з Білорусі.

Рис.1. Середні значення життєздатності пилку різних географічних походжень сосни звичайної.

Проведено гістохімічні дослідження пилку різних кліматипів сосни звичайної, зокрема визначення вмісту в ньому крохмалю, ліпідів, гетероауксину та прижиттєвої кислотності. Кореляційний аналіз  між показниками наявності крохмалю та життєздатністю пилку виявив тенденцію до від'ємного зв'язку кількості клітин, що не містять крохмаль  і середньою та максимальною життєздатністю пилку (r=-0,730 - середня життєздатність; r=-0,581 - максимальна життєздатність; пороговий рівень коефіцієнту кореляції становить 0,650). Таким чином, що більша кількість пилкових зерен містять крохмаль, то більша його життєзатність. Ці лабораторні досліди дозволили запропонувати експрес метод визначення рівню життєздатності пилку без пророщування.

Окрім життєздатності, важливою характеристикою пилку є також його фертильність, яка в наших дослідах визначалась вимірюванням довжини пилкових трубок. Найбільшу довжину пилкових трубок виявлено у грузинського походження – 116,19 мкм, дещо нижчу – у акмолинського та полоцького.  Найменша довжина пилкових трубок – 67,46 мкм – у в'ятського походження. Коефіцієнт варіації цього показника досить високий (максимальне значення – 27,75 % у полоцькому кліматипі). На нашу думку, фертильність пилку є значно менше генетично закріпленою, ніж морфометричні показники пилку і, навіть, ніж його життєздатність. Фертильність значно більше залежить від умов довкілля під час мейозу пилку [И.Н. Голубинский, 1974].

Кореляційний аналіз показників життєздатності пилку та таксаційних характеристик різних географічних походжень сосни звичайної у віці 70 років показав доволі високий рівень зв'язку цих показників. Коефіцієнт кореляції між показниками середніх висот у 70-річному віці та максимальної життєздатності пилку коливається по різних роках від 0,408 до 0,695; середнього діаметру та максимальної життєздатності – від 0,422 до 0,603; об'єму стовбура середнього дерева та максимальної життєздатності – від 0,565 до 0,682. Коефіцієнт кореляції між середньою висотою дерев у 70-річному віці та середньою життєздатністю пилку коливається від 0,348 до 0,636;  між середнім діаметром та середньою життєздатністю –  від 0,432 до 0,696; між об'ємом стовбура середнього дерева та середньою життєздатністю – 0,449 до 0,725. Результати проведених досліджень дають підстави використовувати показники життєздатності пилку для прогнозування швидкості росту різних кліматипів сосни звичайної та їх пристосованості до нових умов.

Мінливість життєздатності насіння та мітотичної активності  клітин проростків сосни звичайної різного географічного походження І та ІІ поколінь.

Внутрішньовидова мінливість сосни звичайної в географічних культурах на цитологічному та ембріологічному рівнях вивчена недостатньо. При цьому спадковість географічної мінливості на клітинному рівні зовсім не досліджена. У зв'язку з цим, визначалась мінливість життєздатності насіння та мітотичної активності апікальних меристем у І та ІІ поколіннях географічних культур.

Вивчення життєздатності насіння різних кліматипів сосни звичайної І покоління показало, що абсолютна схожість насіння в лабораторних умовах доволі висока і коливається від 76,5 % (архангельське походження) до 96%  (брянське походження). Стосовно динаміки проростання – максимальну кількість пророслого насіння, майже в усіх походжень, виявлено на 5–6 добу після висіву, але характер динаміки у різних походжень неоднаковий. Взагалі, проростання насіння північних походжень більше "розтягнуте" у часі. Аналіз схожості насіння сосни звичайної ІІ покоління показав, що, порівняно з першим, у другому поколінні абсолютна схожість нижча в усіх походжень і коливається від 73% в архангельського походження до 88% у тростянецького. Динаміка проростання, порівняно з І поколінням, теж дещо інша – в усіх походженнях сосни максимальну кількість пророслого насіння виявлено на 4–5 добу після висіву, на 9 добу насіння вже зовсім не проростало. Треба відзначити, що динаміка схожості насіння усіх вивчених кліматипів ІІ покоління та місцевого (у І та ІІ поколіннях) дещо подібні. Можна зробити припущення, що схожість насіння ІІ покоління відображає адаптацію кліматипів до місцевих географічно-кліматичних умов, а також вільне перезапилення походжень І покоління. Але при цьому, коефіцієнт кореляції між абсолютною схожістю насіння у І та ІІ поколіннях дорівнює 0,856, що підтверджує спадковість цього показника.

Кореляційним аналізом виявлено зв'язок між абсолютною схожістю насіння та коефіцієнтом континентальності походження: r=0,800 у першому поколінні, r=0,709 – у другому. Також визначено тенденцію до від'ємного кореляційного зв'язку між абсолютною схожістю насіння та  гідротермічним коефіцієнтом (ГТК) регіону походження насіння: r=-0,771у І поколінні та r=-0,628 у ІІ.

Виявлено залежність між енергією проростання  насіння та таксаційними показниками різних кліматипів сосни звичайної – середніми діаметром, висотою та об'ємом стовбура дерева – коефіцієнти кореляції коливаються від 0,620 до 0,728.

Особливої уваги заслуговує вивчення рослин в період проростання насіння, коли відбувається активація клітин меристеми зародків і геном проявляється у найбільш "чистому вигляді" [Н.И. Шестопалова, 1980]. Нами досліджено мінливість мітотичної активності апікальних меристем проростків насіння різних кліматипів сосни звичайної І та ІІ поколінь і виявлено їх відмінність за всіма вивченими показниками. Динаміку мітотичного індексу (МІ) декотрих кліматипів показано на рис. 2. Піки динаміки МІ у більшості походжень припадають на нічні та ранкові часи доби. Наприклад, у грузинського кліматипу спостерігається яскраво виражений пік о 8-й годині ранку (120 годин після висіву насіння), крива одновершинна, поступово вирівнюється. У тростянецького – дві вершини о 24 та 16 годині (112  та 152 години від висіву насіння відповідно), перша має платоподібний вигляд, друга – виражена яскраво. У брянського походження виявлено один пік – о 8 годині (120 годин після висіву). Таким чином, характер кривих   динаміки   МІ   в  усіх   кліматипів   різний.