QUANTITY AND RATIO OF GENERATIVE SHOOTS OF SIBERIAN STONE PINE TREES (PINUS SIBIRICA DU TOUR) INFLUENCE THE DIVERSITY OF THEIR SEED OFFSPRINGS

В настоящее время изучению биологического разнообразия лесообразующих древесных видов уделяется большое внимание, поскольку лесные экосистемы во всем мире выполняют важнейшие функции: средообразующую, ресурсную, рекреационную. Изучение генофонда популяций древесных растений необходимо для их сохранения и рационального использования

. Сосна кедровая сибирская, или кедр сибирский (Pinus sibirica Du Tour) является одной из основных лесообразующих пород хвойных бореальной зоны лесов Евразии. Исследования генетической структуры популяций кедра сибирского активно ведутся несколько десятилетий , , , . Одним из процессов, влияющих на динамику популяционных генофондов древесных растений является система скрещивания. Для хвойных характерна смешанная система скрещивания – сочетание случайного (пыльца происходит с равной вероятностью от любого дерева популяции) и самоопыления

[8]

. Кедр относится к однодомным раздельнополым растениям, в его популяциях наблюдается изменчивость между индивидами по развитию мужской и женской генеративных сфер, т.е. количеству стробилов разного пола. При анализе генетических процессов в популяциях важно учитывать, что особи с различным количеством генеративных органов будут характеризоваться дифференциальным вкладом в пулы мужских и женских гамет. Это приводит к преимущественному скрещиванию различных генотипов, т.е. перекрестному опылению, формированию так называемой «мультипликативной» генетической структуры и увеличению гетерозиготности потомства , , . Знание закономерностей изменчивости генетических характеристик потомства от индивидуальных особенностей материнских деревьев необходимо для понимания генетических процессов в популяциях хвойных растений и разработки научных подходов в лесном семеноводстве. Целью нашего исследования является выявление особенностей генетической и морфологической изменчивости сеянцев в зависимости от количества и соотношения мужских и женских генеративных побегов у материнских деревьев на примере кедра сибирского.

Объектами исследования послужили сеянцы – потомство от свободного опыления деревьев кедра сибирского, произраставших в естественном насаждении в основании подпояса черневой тайги в северной части Телецкого озера, территории Алтайского государственного заповедника невдалеке от поселка Яйлю на высоте 460 м над ур.м. Тип леса – папоротниковый, средний возраст основного поколения кедра – 100 лет, I класс бонитета, средняя высота 21 м, средний диаметр – 45 см. Во втором ярусе – пихта и береза, кустарниковый ярус – красная смородина.

Модельные деревья кедра сибирского были разделены на три группы в соответствии с числом и соотношением мужских и женских побегов. Ряды распределения количества мужских и женских побегов разбиваются на три части, соответствующие малому, среднему и большому количеству побегов

. В группу «Г1» вошли деревья с относительным преобладанием количества мужских побегов, в группу «Г3» – с относительным преобладанием женских побегов, и в группу «Г2» вошли деревья, у которых мужская и женская генеративные сферы были развиты относительно одинаково. Потомство этих деревьев от свободного опыления выращивалось на Научном стационаре «Кедр» Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, расположенный в 30 км к юго-востоку от г. Томска (юго-восточная часть Западно-Сибирской равнины, южная граница лесной зоны). Посадки были произведены под руководством Н.А. Воробьевой. В возрасте 6 лет у 236 сеянцев автором были измерены высота и вес (с корнями). Коэффициент вариации (Cv) получали путем деления стандартного отклонения на среднее значение выборки, результат умножали на 100 для процентного выражения. Статистический анализ морфологической изменчивости сеянцев проведен в программе Statistica 5.0.

Генетический анализ вегетативных тканей сеянцев проведен автором в лаборатории генетики института леса НАН Беларуси, г. Гомель, под руководством профессора Г.Г. Гончаренко. Экстрагирование энзимов, электрофоретический анализ и гистохимическое окрашивание проводили по общепринятым методикам

, , . Для характеристики генетической изменчивости сеянцев использовали стандартные критерии: средняя наблюдаемая гетерозиготность (НО), средняя ожидаемая гетерозиготность (генное разнообразие) – НЕ, F – коэффициент инбридинга. Оценки популяционно-генетических критериев получены при помощи программы PopGen32. Уровень перекрестного опыления учитывали двумя способами. В первом случае многолокусный генотип материнского дерева сравнивали с генотипами потомков. Если в генотипе потомка хотя бы по одному гену имелся аллель, отсутствующий у материнского дерева, его считали «явным ауткроссом», а доля таких потомков в семье характеризовала уровень перекрестного опыления у материнского дерева (ПО). Данные о генотипах модельных деревьев предоставлены Н.А. Воробьевой . Кроме того, параметры системы скрещивания оценивались с помощью многолокусной модели смешанной системы скрещивания , реализованной в компьютерной программе MLTR .

Генотипы 236 сеянцев кедра сибирского (потомство 21 дерева) были установлены по 7 полиморфным изоферментным локусам (Pgm-1, Gpi-2, Dia-2, Fe, Lap-2, Skdh-1, Alap), кодирующим ферменты: диафораза (DIA, КФ 1.6.4.3), флуоресцентная эстераза (FE, КФ 3.1.1.2), лейцинаминопептидаза (LAP, КФ 3.4.11.1), фосфоглюкомутаза (PGM, КФ 2.7.5.1), глюкозофосфатизомераза (GPI, КФ 5.3.1.9), шикиматдегидрогеназа (SKDH, КФ 1.1.1.25), аланинаминопептидаза (ALAP, КФ 3.4.11.2).

Анализ генетической структуры сеянцев кедра сибирского показал, что в группе сеянцев деревьев Г1 наблюдается достоверное отклонение частот генотипов от ожидаемых при равновесии Харди-Вайнберга по локусу Skdh-1, в группе сеянцев Г3 – по Lap-2, Gpi, Fe, Skdh-1. Частоты генотипов по исследованным локусам в потомстве деревьев группы 2 соответствуют ожидаемым, а обобщенная выборка сеянцев характеризуется отклонениями от РХВ по локусам Lap-2, Fe, Skdh-1 и Alap. Практически во всех случаях (за исключением локуса Gpi-2 у потомства деревьев Г3) отклонения в генотипическом составе обусловлены недостатком гетерозиготных организмов, о чем свидетельствуют положительные значения F. Дефицит гетерозиготных организмов относительно РХВ ранее установлен в выборке зародышей семян деревьев из исследуемой популяции

. Дефицит гетерозигот и связанное с этим положительное значение коэффициента инбридинга характерно для хвойных растений на ранних стадиях онтогенеза.

Наибольшую среднюю наблюдаемую гетерозиготность имеют сеянцы деревьев Г2, генное разнообразие (НЕ) потомков деревьев Г2 и Г3 имеет сходные величины (таблица 1). Высокое значение коэффициента инбридинга наряду с низкой наблюдаемой гетерозиготностью и генным разнообразием свидетельствует о редукции генетической изменчивости потомства деревьев Г1.

Мы предполагаем, что одним из факторов, обуславливающих различия генетической структуры потомков деревьев разных групп, является соотношение уровней перекрестного опыления и самоопыления. ПО увеличивалась в ряду групп деревьев Г1<Г2<Г3 (таблица 1). Наблюдаемая гетерозиготность в изучаемых группах сеянцев изменяется прямо пропорционально ПО. Многолокусные оценки ауткроссинга (tm) также указывают на низкий уровень перекрестного опыления у деревьев с относительно высоким количеством мужских микростробилов (Г1).

Значения многолокусных оценок частоты ауткроссинга, полученные в нашем исследовании, больше единицы, что на первый взгляд противоречит биологическому смыслу данного параметра, но имеет ряд возможных объяснений. Подобная ситуация может быть следствием негативного ассортативного скрещивания (между генетически отдаленными индивидами), ошибки выборки потомков, отбор в пользу гетерозигот среди анализируемых потомков

. Кроме того, используемый алгоритм вычисления дает завышенные (tm = 2) оценки ауткроссинга для высоко гетерозиготных материнских деревьев

[17]

. Поскольку в данном исследовании для анализа системы скрещивания использованы 6-летние сеянцы, наиболее вероятной причиной столь высоких значений tm является отбор в пользу гетерозиготных организмов уже на ранних стадиях онтогенеза у кедра сибирского.

Число мужских побегов в кроне дерева отрицательно связано с ПО (rs = -0,587, p<0,05), а также с tm (rs = - 0,483, p<0,05). Это позволяет предположить, что основное значение для определения структуры скрещиваний имеет количество мужских генеративных побегов в кроне дерева. Отрицательная связь между продукцией деревом мужских шишек и уровнем перекрестного опыления обнаружена у ели белой

, ели Энгельманна и пихты субальпийской .

Многолокусные оценки ауткроссинга отрицательно связаны с числом женских побегов в кроне дерева (rs = - 0,519, p = <0,05). Связь многолокусных оценок частоты перекрестного опыления с количеством мужских и женских побегов в кроне описывает уравнение регрессии tm = 2,406 – 0,0047*f-sh – 0,0683*m-sh, где f-sh – число женских побегов, m-sh – число мужских побегов в кроне дерева (уровень значимости полученных коэффициентов и свободного члена уравнения <0,05) объясняет 54% изменчивости ауткроссинга среди исследованных деревьев. Средняя ожидаемая гетерозиготность сеянцев прямо пропорционально связана с ПО материнского дерева (r = 0,715, p<0,01). Ожидаемая гетерозиготность, или генное разнообразие, лучшим образом отражает генетическую гетерогенность семенного материала, и полнее характеризует его генетическое качество.

Таким образом, уровень перекрестного опыления изменяется обратно пропорционально изменению количества генеративных побегов в кроне дерева. Чем лучше развиты генеративные яруса кроны, тем выше вероятность самоопыления у данного индивида. При этом доминирующая роль в определении параметров системы скрещивания принадлежит развитию мужской генеративной сферы. Продукция значительного количества пыльцы материнским деревом, обусловленная большим количеством мужских стробилов, приводит к увеличению частоты самоопыления, и, вследствие этого, увеличению инбредности и понижению генетического разнообразия сеянцев.

Количество мужских побегов и развитие генеративных ярусов кроны в целом, безусловно, являются не единственными факторами, влияющими на соотношение перекрестного опыления и самоопыления у древесных растений. Фенологические характеристики также могут влиять на уровень самоопыления. Раметы дуглассии (Pseudotsuga menziezii (Mirb.) Franco), которые цветут раньше других и/или значительно синхронизированы по времени мужского и женского цветения, характеризуются наименьшим уровнем перекрестного опыления

. Изменчивость между индивидами в пределах популяции по уровню перекрестного опыления также может быть основана на различном уровне абортации эмбрионов после самоопыления вследствие различного числа летальных генов в генотипах .

Анализ морфологической изменчивости сеянцев кедра сибирского показал наличие достоверных отличий (р<0,05) по высоте между сеянцами групп деревьев Г1 и Г3 (таблица 1). Фактор принадлежности материнского дерева к группе по количеству и соотношению мужских и женских генеративных побегов обуславливает 4,6% изменчивости высоты 6-летних сеянцев кедра сибирского. По весу сеянцев различия между группами недостоверны.

Изменчивость веса (Cv = 46,1) более чем в два раза превышает изменчивость длины сеянцев (Cv = 19,1). Изменчивость высоты сеянцев уменьшается в ряду потомков деревьев Г3>Г2>Г1, т.е. по мере увеличения проявления мужской генеративной сферы. Коэффициент вариации высоты сеянцев положительно связан со средней ожидаемой гетерозиготностью сеянцев (r = 0,622, p<0,05) и частотой перекрестного опыления ПО (r = 0,815, p<0,05). Связь наблюдаемой гетерозиготности сеянцев со средними внутрисемейными значениями их высоты и веса недостоверна. Известно, что проявление связи гетерозиготности и жизнеспособности, интенсивности роста растений зависит от внешних условий

, , гетерозис проявляется сильнее в стрессовых, неблагоприятных условиях среды . При выращивании в условиях питомника более гетерозиготные сеянцы кедра сибирского не продемонстрировали адаптивного преимущества.

Внутрипопуляционная дифференциация кедра сибирского по количеству и соотношению мужских и женских побегов оказывает влияние на распределение генетической и морфологической изменчивости семенного потомства от свободного опыления. Тип дерева, определяемый по количеству и соотношению мужских и женских генеративных побегов, может обусловливать уровень генетического разнообразия и степень инбредности потомства. Основную роль в определении генетического разнообразия потомства дерева играет степень развития мужской генеративной сферы. Деревья, имеющие достаточно много мужских побегов и являющиеся активными продуцентами пыльцы, характеризуются высокой частотой самоопыления, вследствие чего их потомство инбредно и менее гетерозиготно, чем потомство других деревьев. Исключительный интерес представляет также установленная положительная связь между ожидаемой гетерозиготностью и изменчивостью высоты сеянцев. Она иллюстрирует реализацию генетического разнообразия в морфологической внутрисемейной изменчивости сеянцев при выращивании в благоприятных условиях при отсутствии конкуренции в питомнике.

Данный вывод имеет большое значение для практики. Поскольку отклонение развития генеративной сферы индивида от обоеполости в «мужскую» сторону ведет к «генетическому обеднению» семенного материала, это необходимо учитывать при сборе семян в естественных насаждениях. Многими исследователями установлено пагубное влияние самоопыления на рост и жизнеспособность хвойных растений

. Это явление носит название инбредной депрессии и связано с переходом летальных и полулетальных генов в гомозиготное состояние . Хотя на данном материале нами не установлено связи межсемейных различий аллозимной гетерозиготности и роста сеянцев кедра, произрастание в природе при сильной конкуренции или в неблагоприятных эдафических, температурных условиях может вести к проявлению адаптивного преимущества гетерозиготных и элиминации высокогомозиготных растений. В связи с этим при сборе семян кедра сибирского для целей лесоразведения и лесовосстановления рекомендуется учитывать количество и соотношение мужских и женских генеративных побегов в кроне деревьев и избегать сбора семян с деревьев с преобладающим развитием мужской генеративной сферы. Полученные результаты важны для познания генетических аспектов репродуктивных процессов в популяциях, сохранения и воспроизводства генетических ресурсов кедра сибирского и других бореальных видов хвойных растений.