УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ И

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН Семенная продуктивность и рост потомства естественных гибридов между кедром сибирским (Pinus sibirica Du Tour) и кедровым стлаником (P. pumila (Pall. ) Regel) Васильева Галина Валериевна Научный руководитель: к. б. н. , Горошкевич С. Н. Томск 2011

2 Актуальность Зона перекрывания ареалов кедра сибирского и кедрового стланика • Недостаточная изученность процессов гибридизации в какомлибо роде растений неизбежно приведет к ошибкам в определении видов и неправильному толкованию их филогенетических связей. • Исследования гибридов между кедром сибирским и кедровым стлаником начаты сравнительно недавно и находятся еще на начальном этапе. В частности, актуален анализ половой репродукции гибридов в сравнении с родительскими видами, а также роста и развития их семенного потомства.

3 Цель работы провести анализ семенной продуктивности и роста потомства естественных гибридов между кедром сибирским (Pinus sibirica Du Tour) и кедровым стлаником (P. pumila (Pall. ) Regel) в сравнении с родительскими видами

4 Задачи o o Сравнить структуру шишек и семенную продуктивность естественных гибридов и их родительских видов из разных районов зоны гибридизации. Провести фенологические наблюдения за «цветением» видов и гибридов, а также определить совместимость гибридов с родительскими видами с помощью контролируемого опыления. Охарактеризовать рост и развитие семенного потомства видов и гибридов на ранних этапах онтогенеза. Определить анатомические особенности листового аппарата у семенного потомства естественных гибридов в сравнении с родительскими видами.

5 Защищаемые положения o o Естественные гибриды между кедром сибирским и кедровым стлаником фертильны, однако их семенная продуктивность существенно (в 3– 5 раз) ниже, чем у родительских видов, за счет абортивности семяпочек на всех этапах развития. Семенное потомство естественных гибридов на ранних этапах онтогенеза характеризуется повышенным разнообразием по морфогенезу, а у отдельных гибридных особей сочетание видовых признаков обеспечивает гетерозис по приросту в высоту.

6 Новизна o В исследовании на основании детального анализа структуры шишек и качества семян впервые показана потенциальная возможность семенного размножения естественных гибридов между кедром сибирским и кедровым стлаником. Кроме того, впервые было получено семенное потомство не только от гибридов, произрастающих в природе, но и от искусственных реципрокных скрещиваний кедра сибирского и гибридов. Проведенные наблюдения за ходом роста и развития семенного потомства гибридов в сравнении с их родительскими видами выявили повышенное разнообразие морфологических признаков у гибридов на ранних этапах онтогенеза.

7 Теоретическая и практическая значимость o Исследования межвидовых гибридов кедра сибирского и кедрового стланика в первую очередь важны для фундаментальной науки, как для выявления особенностей взаимодействия между современными видами, так и для понимания эволюционного развития пятихвойных сосен. Кроме того, приведенные результаты помогут понять причины и возможные последствия гибридизации между этими видами. Полученные результаты также могут быть полезны в селекции древесных растений, поскольку гибридные генотипы являются потенциальным источником новых форм, обладающих необходимыми человеку свойствами.

8 Объекты исследования o Первый отличительный признак гибридов – габитус. У гибридов не было вертикального ствола как у кедра, а в комлевой части ствол часто был изогнут, но с другой стороны, гибриды нельзя назвать стелющимися. (рисунок приведен по Goroshkevich et al. , 2008 ) Кедр Гибрид Стланик Гибрид из дельты Верхней Ангары

9 Цвет шишек o Вторым определяющим признаком был цвет созревающих шишек, у гибридов шишки почти такие же фиолетовые как у кедра, в то время как у стланика шишки зеленые Кедр сибирский Гибрид Кедровый стланик

Районы исследования и ареалы видов 10 1 – Дельта Верхней Ангары 2 – Баргузинский заповедник 1 2 Стационар «Кедр» С южного Прибайкалья было использовано вегетативное потомство видов и гибридов, имеющееся на стационаре «Кедр» , для проведения фенологических наблюдений и контролируемого опыления

Дельта Верхней Ангары Соотношение плодоносящих особей Кедр 3 Гибриды Стланик 1 60 11

Верхнеангарский хребет 12 Южные отроги Верхнеангарского хребта покрыты сосновыми, кедровыми и лиственичными лесами. Стланик широко распространен в подлеске по всему лесному поясу и образует широкий пояс под гольцами. Гибриды обнаружены в диапазоне высот от 500 до 1500 м

Баргузинский заповедник Соотношение плодоносящих особей Кедр 300 Гибриды Стланик 1 10 13

14 Исследование семенной продуктивности Год Кедр Гибриды Стланик Дельта Верхней Ангары 2005 16 12 16 2009 21 28 31 Верхнеангарский хребет 2005 16 3 16 Баргузинский заповедник 2005 16 24 Число исследованных деревьев, шт. 16 Исследование женских шишек и семян проводили по стандартной методике, у шишек измерялись длина и диаметр, подсчитывалось число стерильных и фертильных семенных чешуй, нормально развитых и недоразвитых семян. Качество развитых семян определялось непосредственным наблюдением содержимого семени или с помощью рентгенографии

Характеристика шишек на примере видов и гибридов из дельты Верхней Ангары a a b c b a b c Приведены среднее, стандартная ошибка и стандартное отклонение, разные буквы показывают значимость отличий (p<0, 05). 15

16 Репродуктивные потери на разных этапах развития семяпочки в полноценное семя Признак Кедр Гибриды Стланик Неполная семификация, % числа семяпочек 14 -34 19 -35 10 -39 Доля недоразвитых семян, % от числа семян 2 -11 18 -51 3 -13 Доля пустых семян, % от числа развитых семян 12 -32 30 -62 2 -18 Доля семян с недоразвитым эндоспермом, % от числа семян с эндоспермом 0, 3 -12 3 -57 3 -13 Доля семян без зародыша, % от числа семян с развитым эндоспермом 0, 0 -0, 2 2 -16 0, 2 -19 Доля семян с недифференцированным зародышем, % от числа семян с зародышем 0, 3 -2, 6 2, 5 -39 1, 4 -41

17 Семенная продуктивность видов и гибридов в разных районах исследования По оси ординат – доля семян с дифференцированным зародышем, % от числа семяпочек.

Изменчивость семенной продуктивности 18 К – кедр сибирский, Г – гибриды, С – кедровый стланик. По оси ординат – доля семян с дифференцированным зародышем, % от числа семяпочек. Точкой показана медиана, прямоугольником – 25– 75% пределы, отрезком – min–max.

Сравнение семян видов и гибридов • Отличительной чертой гибридных семян является отсутствие выраженной границы между развитыми и недоразвитыми семенами. • Масса гибридных семян меньше, чем у кедра сибирского, но больше, чем у стланика a К b С Г c см 19

20 Дата Динамика развития женских шишек у кедра сибирского (1), кедрового стланика (3) и гибридов (2). Фенофаза ОШ – открытая шишка ЗШ – закрытая шишка

21 Проведение контролируемого опыления В качестве материнских растений использовали прививки кедра сибирского и естественных гибридов, имеющиеся на стационаре «Кедр» , а также кедровый стланик из естественного насаждения (дельта Верхней Ангары). Женские шишки изолировали бумажными пакетами за 1 -2 дня до вылета пыльцы. Опыление проводили двукратно в рецептивную фазу женской шишки, изоляторы снимали после закрытия шишки.

22 Доля полных семян при разных вариантах контролируемого скрещивания

Однолетние сеянцы исследуемых видов Кедр сибирский Кедровый стланик 23

Морфологические признаки однолетних сенцев кедра сибирского, кедрового стланика и гибридов (на примере дельты Верхней Ангары) 24 Кедр характеризовался большим числом семядолей и незначительным числом ювенильной хвои по сравнению с кедровым стлаником. Гибриды из дельты Верхней Ангары в этом отношении оказались промежуточными. По длине ювенильного побега наблюдались существенные различия между видами, а гибриды в среднем были ближе к стланику. b a b

25 Дискриминантный анализ однолетних сеянцев Диаграмма рассеяния однолетних сеянцев кедра сибирского (круги), кедрового стланика (квадраты) и гибридов (треугольники) из дельты Верхней Ангары (белые маркеры) и Баргузинского заповедника (черные) в плоскости канонических корней

26 Динамика роста однолетних сеянцев кедра сибирского, кедрового стланика и гибридов из разных мест происхождения Рост ювенильного побега Формирование вторичного прироста Заложение терминальной почки Вертикальными отрезками показано завершение соответствующего процесса у большинства сеянцев.

27 Морфологические признаки двухлетних сеянцев Место происхождения Дельта Верхней Ангары Вид/ Гибриды Длина побега, мм Число брахибластов, Длина хвои, мм шт. 14, 0± 4, 2 a 11, 9± 2, 4 a 44, 1± 8, 2 a Гибриды 18, 9± 6, 9 b 10, 1± 4, 3 b 39, 2± 13, 6 a Стланик Баргузинский заповедник Кедр 15, 4± 3, 8 a 9, 8± 3, 0 b 41, 3± 11, 0 a Кедр 16, 0± 5, 9 a 11, 8± 2, 7 a 48, 1± 12, 6 a Гибриды 13, 1± 4, 8 a 10, 1± 4, 3 a 37, 1± 10, 3 b

28

29 Особенности строения побега двухлетних сеянцев • По структуре побега гибриды из дельты Верхней Ангары близки к кедровому стланику, тогда как гибриды из Баргузинского заповедника к кедру сибирскому Дельта Верхней Ангары

30 Распределение (%) четырехлетних сеянцев кедра сибирского, кедрового стланика и гибридов по числу латеральных ауксибластов

31 Поперечные срезы разных типов листьев, сменяющихся в ходе онтогенеза на примере кедрового стланика Семядольный лист Ювенильная хвоя ЦЦ – центральный цилиндр, СК – смоляные каналы Хвоя

32 Структура хвои у кедра сибирского и кедрового стланика Кедр Число смоляных каналов и их расположение Стланик 2, периферические 3, паренхиматические Складчатость клеток мезофилла

33 Качественные морфолого-анатомические признаки хвои кедра сибирского и кедрового стланика и их проявление у семенного потомства гибридов, %. Признак Кедр Гибриды БЗ Число смоляных каналов Стланик ДВА 1 0 0 15 10 2 53 60 85 90 3 47 40 0 0 Положение смоляных каналов Паренхиматические* 100 43 15 0 Периферические 0 57 85 100 Складчатость мезофилла Сильная 0 0 75 100 Слабая 100 25 0 БЗ – Баргузинский заповедник, ДВА – дельта Верхней Ангары * - хотя бы один из имеющихся каналов является паренхиматическим

34 Выводы 1. Гибриды между кедром сибирским и кедровым стлаником фертильны и способны размножаться половым путем, однако их семенная продуктивность снижена в сравнении с родительскими видами; в полноценные семена с дифференцированным зародышем развиваются не более четверти семяпочек. 2. Снижение семенной продуктивности гибридов обусловлено абортивностью семяпочек на всех этапах их развития в полноценные семена. Особенно много у гибридов образуется недоразвитых и пустых семян. Это означает, что критическими этапами репродуктивного цикла являются период между опылением и оплодотворением, а также собственно оплодотворение. 3. В условиях клонового архива сроки цветения кедра сибирского и гибридов создают предпосылки для их переопыления и образования бэккроссов на кедр, а также гибридов второго поколения. 4. Гибриды как материнские растения опыляются примерно с одинаковым успехом гибридной пыльцой и пыльцой родительских видов. При этом лимитирующим фактором в образовании семян у гибридов является «качество» их семяпочек.

35 Выводы 5. Семенное потомство гибридов между кедром сибирским и кедровым стлаником отличается повышенным разнообразием по морфологическим признакам в сравнении с родительскими видами. Семенное потомство гибридов сочетает в себе признаки обоих родительских видов, а морфологическое сходство с одним из них, повидимому, определяется видовой принадлежностью пыльцы, опылившей шишку естественного гибрида. 6. Структура семядолей одинакова у видов и гибридов, а ювенильная хвоя отличается лишь благодаря видоспецифическому строению мезофилла. Видовые морфолого-анатомические признаки листа в полном объеме проявляются только в строении взрослой хвои и позволяют безошибочно идентифицировать гибридную особь. 7. Гибридизация между кедром сибирским и кедровым стлаником не ограничивается образованием гибридов первого поколения. Направленность опыления гибридов существенно различается в разных частях гибридной зоны и определяется соотношением пыльцы родительских видов в общем пыльцевом пуле.

Спасибо за внимание