Ботанический журнал, 2023, T. 108, № 4, стр. 360-370

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования служило типичное по вегетативной и семенной продуктивности насаждение сосны обыкновенной Ступинского тест-объекта (Воронежская область, Рамонский район, 55–60-летние лесные культуры, прилегающие к Воронежскому биосферному заповеднику). Район исследований характеризуется умеренно-континентальным климатом, лесорастительные условия (ТУМ А₂, сосняк травяной) соответствуют биологии вида Pinus sylvestris. Ступинский тест-объект – объект длительного мониторинга (1987–2022 гг.) и комплексных исследований систем семенного размножения сосны в оптимальной зоне видового ареала.

Опыт по искусственному самоопылению проводили по методике Н.В. Котеловой (Kotelova, 1956) на случайной выборке одних и тех же 50 деревьев в течение 12 лет (1988–1999 гг.) (Kuznetsova, 2009, 2012). При разработке его схемы мы исходили из того, что у голосеменных растений самофертильность является стабильным генетически детерминированным признаком. В число задач эксперимента входило изучение структуры популяции сосны по уровню самофертильности, степени стабильности / лабильности признака в разные годы, вклада самоопыления в семенную продукцию года, роли инбридинга в системе семенного размножения вида.

В мае мегастробилы изолировали в пакеты из пергамента в фазе “стоячая шишка” (Kotelova, 1956). Утром, когда рецептивность женских шишек в фазе “открытая шишка” была максимальной, проводили их опыление пыльцой только своего дерева. Изоляторы снимали через 7–10 дней, когда мегастробилы находились в фазе “закрытая шишка”. В 2-летнем эксперименте по самоопылению участвовали 26 деревьев. Число мегастробилов на изолированных и маркированных контрольных ветках было одинаковым, лишние стробилы удалялись. Общее их количество на момент изоляции приняли за 100%. Сохранность шишек определяли ежемесячно вплоть до их созревания.

Коэффициент самофертильности (К_сф) вычисляли как соотношение процента полных семян при самоопылении к аналогичному показателю при свободном опылении. Диапазон изменчивости деревьев по данному признаку разбит на три класса: самостерильные (сс) 0 ≤ К_сф ≤ 0.1; частично-самофертильные (чсф) 0.1 ≤ К_сф ≤ 0.5; самофертильные (сф) 0.5 ≤ К_сф ≤ 0.8 и выше. Долю инбредных потомств в семенной продукции года находили по соотношению количества выполненных инбредных семян к числу аутбредных. Годы исследований по погодным условиям распределились следующим образом: 1990, 1994 – холодные, 1996, 1998 – теплые годы, 1995 – умеренная засуха, 1991 – сильная засуха. Остальные годы соответствовали региональной норме.

Светооптические и электронно-микроскопические исследования гаметогенеза и эмбриогенеза при самоопылении и свободном опылении проводили на самостерильных (сс) и высоко самостерильных (всс, К_сф < 0.03) деревьях ступинской популяции. Растительный материал фиксировали 2% глутаровым альдегидом с дофиксацией 1% OsO₄. Препараты полутонких и ультратонких срезов просматривали и фотографировали в световом микроскопе МБИ-6 и электронном микроскопе Tesla BS-613.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Установлено, что в оптимальные годы для реакции сосны на инбридинг характерен высокий внутрипопуляционный полиморфизм (0–0.75). Средний К_сф выборки варьирует в узких пределах 0.13–0.14. Показатели К_сф индивидуальных деревьев в разные оптимальные годы изменяются в небольших пределах. Ранговое положение дерева в выборке довольно постоянно, коэффициент ранговой корреляции Спирмена 0.89–0.96. Снижение урожая семян при самоопылении составляет 12–15 раз. Доля инбредных семян в семенной продукции года равна 8.7% (рис. 1). Более 90% деревьев отрицательно реагирует на самоопыление. Высокая повторяемость показателей и однотипная структура выборки в разные оптимальные годы свидетельствуют, что самофертильность является генетически обусловленным признаком. Распределение генотипов в выборке представляет асимметричную кривую с максимумом в области самостерильных форм. Процентное соотношение между сс, чсф и сф формами по суммарным данным 6 оптимальных лет равно ~8сс : 4чсф : 1сф. Доля сф форм составляет 7–8%. 61% деревьев выборки – автостерильные формы.

Рис. 1.

Доля инбредного потомства сосны обыкновенной в разные по погодным условиям годы: а – оптимальные годы; б – холодные и теплые годы; в – умеренная засуха; г – сильная засуха.

Fig. 1. Share of inbred progeny of Scots pine in years with different weather conditions: а – optimal years; б – cold and warm years; в – moderate drought; г – severe drought.

Гидротермический стресс выводит систему семенного размножения из равновесия, повышает лабильность деревьев по уровню самофертильности. Показано, что самофертильность является стабильным признаком только в оптимальные годы. При отклонении климатических условий от региональной нормы создается новая мода К_сф. Установлены высокая чувствительность признака к погодному стрессу и разная реакция контрастных групп деревьев на его воздействие. Средний К_сф выборки при повышении и понижении температурного режима изменяется только однонаправленно – в сторону увеличения самофертильности. Повышенная лабильность наблюдается в группе сс деревьев, а самая низкая – в группе сф. По мере усиления погодного стресса трансформируется структура популяции по уровню самофертильности и увеличивается доля инбредных семян (рис. 1б, в, г). В холодные и теплые годы средний К_сф выборки повысился почти в 1.5 раза – с 0.13–0.14 до 0.18–0.21. Соотношение между формами стало 4сс : 8чсф : 1сф. В умеренную засуху модальное значение К_сф превысило уровень оптимальных лет втрое и составило 0.38. Доля сс, чсф и сф форм стала одинаковой. В сильную засуху величина среднего К_сф достигла 0.58. Структура выборки приняла асимметричный вид по отношению к оптимальным годам (1сс : 1чсф : 2сф). Соответственно увеличивалась и доля инбредных семян. Так, если инбредное потомство в генофонде оптимальных лет составляло 1/12–1/14 часть, то в аномальные годы их доля повысилась до 1/9, 1/5, 1/3 (соответственно теплые, умеренная и сильная засуха). В теплые и холодные годы доля инбредных семян увеличилась в среднем до 11% (рис. 1б). В умеренную засуху, когда урожайность сосны снизилась вдвое, вклад инбридинга увеличился до 21% (рис. 1в). В сильную засуху (5‑кратная редукция урожая) инбредные генотипы составили 1/3 от числа выживших семян (рис. 1г). Важно отметить, что подавляющая часть семенного генофонда все эти годы по происхождению было аутбредным потомством (рис. 1).

О разной генетической природе сс (типичных перекрестников) и чсф + сф (потенциальных самоопылителей) форм можно судить по величине отклика на погодный стресс (Kuznetsova, 2012). Его определяли у данных групп деревьев по среднему К_сф, который у сс и чсф + сф форм в оптимальные годы составлял 0.056 и 0.362 соответственно. Данные значения мы приняли за 100%. Оказалось, что в теплом 1998 г., когда лишь наметилась тенденция снижения урожая сосны, средний К_сф деревьев сс группы повысился в 1.5 раза, а у чсф + сф группы только на 20%. Более явные различия наблюдались в умеренную засуху 1995 г. В этот год величина сдвига составила 3.8 раза для сс и 54.8% для чсф + сф форм.

Реакция сосны на самоопыление в прогамный период изучалась на отдельном опыте по самоопылению. Годы его проведения (1987–1988 и 1988–1989 гг.) были оптимальными по погодным условиям. Динамика сохранности шишек 1- и 2-го года развития при самоопылении и свободном опылении в 1987–1988 гг. приведена на рис. 2. Полученные данные свидетельствуют о неравномерной редукции их числа в период между опылением мегастробилов и сбором шишек. Установлены два пика опада шишек: первый приходится на второй месяц после опыления (период развития пыльцевых трубок), второй – на май следующего года (выход шишек из состояния покоя). Различия между вариантами опыления проявились на второй месяц после опыления, и сохранялись вплоть до созревания шишек. В опыте 1987 г. сохранность шишек была выше на 28.8% при свободном опылении, чем при самоопылении. Размах варьирования признака от 6 до 94%. В 1988 г. разница между типами опыления составила 25%, что свидетельствует о наличии инбридинговой депрессии между пыльцевой трубкой и нуцеллусом в год опыления.

Рис. 2.

Сохранность шишек сосны обыкновенной после самоопыления и свободного опыления.

Fig. 2. Persistence of Scots pine cones after self-pollination and open pollination.

Электронно-микроскопическое изучение зоны контакта пыльцевых трубок с нуцеллусом проводилось при двух вариантах опыления – самоопылении и свободном опылении. Их развитие в год опыления принято подразделять на 5 периодов (Kotelova, Khromova, 1974): 1) прорастание и интенсивное внедрение; 2) неразветвленный рост трубок; 3) ветвление кончика трубки; 4) резкое уменьшение роста; 5) период покоя. На рис. 3 показана ультраструктура пыльцевых трубок при самоопылении и свободном опылении в начале 2-го и в конце 3-го периода формирования на примере их развития у всс дерева № 81 (К_сф = 0.01). Показано, что после перехода вегетативной клетки пыльцы в нуцеллус отложения каллозы на ее оболочке отсутствуют (рис. 3а). К концу 3-го периода оболочка утолщается, на границе с нуцеллусом видны небольшие отложения каллозы. Признаки деградации цитоплазмы отсутствуют (рис. 3б). При самоопылении зона отторжения между инбредной пыльцевой трубкой и нуцеллусом начинает формироваться во 2-м периоде, сразу после перехода с автотрофного на гетеротрофный способ питания (рис. 3в). По-видимому, инбредные пыльцевые трубки могут использовать для своей трофики лишь часть компонентов питательной ткани. Остальные в условиях деградации накапливаются на границе, вызывая остановку роста и переход в состояние покоя, или гибель. Показано, что интенсивность реакций несовместимости в прогамный период недостаточна для ингибирования развития большинства трубок. Поэтому они успевают завершить цикл своего развития, возобновляют рост весной следующего года и участвуют в оплодотворении. Погибшие пыльцевые трубки снаружи и часто изнутри заполнены каллозой. Ее отложения наблюдаются вокруг близлежащих клеток нуцеллуса, что свидетельствует о несовместимости тканей (рис. 3г).

Рис. 3.

Ультраструктура зоны контакта между пыльцевой трубкой и нуцеллусом у самостерильных форм сосны обыкновенной после ее прорастания и в конце 1-го вегетационного сезона при свободном опылении (а, б) и самоопылении (в, г). ПТ – пыльцевая трубка, Н – нуцеллус.

Fig. 3. Ultrastructure of the pollen tube to nucellus contact zone in self-sterile forms of Scots pine after its germination and at the end of 1st vegetation season in open pollination (а, б) and self-pollination (в, г). ПТ – pollen tube, Н – nucellus.

При свободном опылении у всс деревьев в оптимальные годы формируется в среднем 23–24 семян на шишку, уровень полнозернистости выборки колеблется в пределах 80–92%. При самоопылении подавляющее число шишек у деревьев данной группы пустосемянные. Количество выживших семян не превышает 1–2, остальные – пустые капсулы. Капсулы, как правило, имеют размеры выполненных семян своего дерева, подтверждая, что оплодотворение имело место. Это дало нам основание считать, что инбридинговая депрессия в период эмбриогенеза является основной причиной их гибели.

Эмбриогенез голосеменных растений включает проэмбриогенез, ранний и поздний эмбриогенез (Singh, 1978, Kozubov et al., 1982). Электронно-микроскопические исследования всс форм подтвердили, что инбридинговая депрессия у сосны реализуется во время раннего эмбриогенеза. Сравнительное изучение проэмбриогенеза при самоопылении и свободном опылении показало, что гибель зародышей в этот период происходит редко и не связана с типом опыления. Также не выявлено нарушений в ультраструктуре клеток зародыша сразу после выхода его в коррозионную полость.

Показано, что в ходе раннего эмбриогенеза на границе между аутбредным зародышем и эндоспермом начинает формироваться изоляционный слой (рис. 4а). Его ширина в период недифференцированного роста постепенно увеличивается (рис. 4б), не препятствуя активному росту зародыша, и не нарушая его трофическую функцию. Данный слой, по мере утолщения, к концу раннего эмбриогенеза ограничивает рост зародыша, инициирует процессы внутренней дифференциации, формирования эмбриональных структур и переход в состояние физиологического покоя.

Рис. 4.

Ультраструктура зоны контакта зародыша с эндоспермом у самостерильных форм сосны обыкновенной в начале и в конце раннего эмбриогенеза при самоопылении и свободном опылении. З – зародыш, Э – эндосперм.

Fig. 4. Ultrastructure of the embryo to endosperm contact zone in self-sterile forms of Scots pine at the beginning and the end of early embryogenesis in self-pollination and open pollination. З – embryo, Э – endosperm.

При самоопылении сс и особенно всф форм наблюдается иная ситуация. На микрограмме отчетливо видно, как происходит отторжение инбредного зародыша в зоне контакта с эндоспермом (рис. 4в). Между ними не устанавливается нормальный обмен веществ из-за несовместимости тканей. В клетках эндосперма отмечается частичная фрагментация гранул крахмала, что свидетельствует о нарушении его оттока из пластид. Лишь незначительная часть питательных веществ поглощается, а остальные в условиях деградации стремительно накапливаются вокруг зародышевого комплекса (рис. 4в). Изоляционный слой часто достигает толщины 1–2 клеток (рис. 4г). Он полностью отделяет инбредный зародыш от питательных веществ эндосперма, что обусловливает его гибель. По нашим данным, у сс форм во время раннего эмбриогенеза погибает до 90% инбредных зародышей, у всф – 95–100%. Стадия гибели определяется степенью физиологической несовместимости в системе “зародыш–эндосперм” в период раннего эмбриогенеза. В периферийных клетках эндосперма ультраструктурных изменений в это время не наблюдается. Ткань эндосперма, как правило, деградирует последней.

ОБСУЖДЕНИЕ

Генетически контролируемая несовместимость – сложная многоуровневая система по предотвращению слияния близкородственных гамет, которая представлена у покрытосеменных растений разными типами и механизмами (De Nettancourt, 1977; Rea, Nasrallah, 2008). Основным аргументом отсутствия у голосеменных растений системы несовместимости является то, что инбредная пыльца способна прорастать на нуцеллусе и участвовать в оплодотворении. Несмотря на то что некоторые авторы пытались выявить у хвойных растений физиологический барьер несовместимости, подобный тому, какой существует у покрытосеменных растений (Hagman, Mikkola, 1963; Dogra, 1967), природа инбридинговой депрессии до сих пор является предметом дискуссии. Вероятность самоопыления довольно велика. Временные интервалы рецептивных фаз мужских и женских стробилов перекрываются, а механизмы, препятствующие попаданию собственной пыльцы в пыльцевую камеру, слабо выражены. Различия в скорости роста инбредных пыльцевых трубок по сравнению с аутбредными недостаточны для остановки их развития, обеспечивая, таким образом, сингамию гамет при самоопылении (Sarvas, 1962).

Поскольку деструктивные изменения при самоопылении приурочены к эмбриогенезу, то было высказано предположение, что причина инбридинговой депрессии у голосеменных растений обусловлена нарушением физиологической связи между зародышем и эндоспермом (Mergen et al., 1965; Dogra, 1967; Bramlett, Popham, 1971; Koski, 1971; и др.). На этой основе в 70-х годах прошлого столетия была разработана теория эмбриональных леталей (Bramlett, Popham, 1971; Koski, 1971), согласно которой популяции содержат значительное количество летальных и сублетальных генов (эмбриональных леталей), находящихся в гетерозиготном состоянии в виде скрытого генетического груза. При самоопылении эмбриональные летали переходят в гомозиготное состояние и вызывают остановку развития зародышей. Согласно данной концепции нарушения физиологических связей сводились к внутренней причине и заложены в генетической конституции самого зародыша. В этом случае гибель семян должна начинаться с деградации инбредного зародыша. Материалы наших исследований показали, что инбридинговая депрессия у сс форм сосны проявляется в другой последовательности: вначале формируется зона отторжения между зародышем и эндоспермом, затем погибает зародыш, и только после него начинает разрушаться эндосперм, что не укладывается в теорию эмбриональных леталей. Молекулярно-генетический анализ изменчивости в хвое сосны обыкновенной аллозимных локусов выявил достоверную связь между уровнем самофертильности и индивидуальной гетерозиготностью: высоко самостерильные деревья оказались наиболее гомозиготными, а высоко самофертильные – высокогетерозиготными (Isakov, Semerikov, 1997). Полученные данные можно объяснить, если допустить, что природа самофертильности связана с действием генетической системы несовместимости в период эмбриогенеза.

Экологическую зависимость и высокую чувствительность признака самофертильности к погодному стрессу (Kuznetsova, 2009, 2012) также нельзя объяснить по теории эмбриональных леталей. Эмбриогенез протекает внутри достигших окончательного размера шишек, поэтому его процесс в меньшей степени подвержен колебаниям климата. Эмбриональные летали при самоопылении сс и особенно всс форм должны вызывать очень глубокие нарушения программы развития зародышей и неизбежно вести их к гибели вне зависимости от погодных условий. Прямая зависимость реакций несовместимости от температуры описана у цветковых растений E.M. East (1929): максимальный уровень при оптимальной температуре, снижение интенсивности при более низком и высоком температурном режиме, что часто используется в селекционной практике для преодоления барьеров несовместимости (Maletskiy, Denisova, 1974). Аналогичный отклик на погодный стресс выявлен у сосны (Kuznetsova, 2012): низкие показатели К_сф в оптимальные годы, более высокие – в холодные и теплые годы, самые высокие – в сильную засуху.

Показано, что SC формы покрытосеменных имеют селективное преимущество в резко меняющейся неблагоприятной среде, обеспечивая относительную стабильность плодоношения растений (Agadzhanyan, 1992). В опытах по химическому мутагенезу нами получен такой же эффект (Mashkina et al., 2009; Kuznetsova, Mashkina, 2011). Семена от свободного опыления сс и сф деревьев сосны обыкновенной были обработаны химическими мутагенами НДММ, НММ, ДМС в концентрации 0.1%. Исследования проводились в онтогенезе (М₁) и при смене поколений (М₂) с учетом генетических особенностей материнских деревьев. Установлено, что индуцированное потомство сф-форм по всем показателям (всхожесть семян, сохранность растений в течение более 20 лет, количество измененных растений, число патологий митоза) превосходило потомство сс-форм, полученное при сходном варианте обработки тем же мутагеном. Это указывает, что сф формы сосны по сравнению с сс более устойчивы к мутагенам.

Приведенные результаты 12-летнего опыта показали, что в аномальные годы самофертильность становится лабильным экологически зависимым признаком, чутко реагирующим на изменение погодных условий (Kuznetsova, 2009, 2012). Порог его чувствительности – холодные и теплые годы. При повышении и понижении температурного режима показатели К_сф сдвигаются однонаправленно – в сторону большей самофертильности. Повышение в засушливые годы доли инбредных семян свидетельствует об участии инбридинга в адаптации семян к погодным условиям своего года. В засуху механизмы генотипической коррекции сопряжены с падением урожайности и селективной смертностью генотипов, которые протекают на базе неспецифической реакции и ведут к повышению в семенном генофонде доли инбредных и засухоустойчивых генотипов (Kuznetsova, 2012). Полученные материалы свидетельствуют, если неблагоприятные условия станут постоянной средой обитания, данные генотипы будут иметь адаптивное преимущество для выживания вида. При возвращении климата к норме большая часть инбредных потомств будет удалена отбором, что подтверждено на многих видах сем. Pinaceae (Franklin, 1970) и в нашем эксперименте по химическому мутагенезу (Kuznetsova, Mashkina, 2011). Большая часть растений в контрольных семьях (инбредное потомство сс форм без обработки) отставала в росте и погибла до вступления в фазу семеношения.

У покрытосеменных растений связь между образованием каллозы в пыльцевых трубках и несовместимостью доказана (Tupy, 1959, De Nettancourt, 1977). Показано, что место остановки роста и гибели инбредных трубок в столбике происходит после достижения пороговых отложений каллозы и находится в прямой зависимости от интенсивности реакций несовместимости (Poddubnaya-Arnol’di, 1976). Подобная реакция инбредных пыльцевых трубок на самоопыление наблюдается у сс и всс форм сосны. Установлено, что их гибель вызвана отложениями каллозы в несовместимых с нуцеллусом трубках (Kuznetsova, 1991, 1996).

Известно, что отсутствие опыления, или ингибирование роста пыльцевых трубок вызывает опад шишек сосны обыкновенной в первый год развития (Kotelova, 1956; Sarvas, 1962). По нашим данным более низкая сохранность шишек при самоопылении является следствием гибели части инбредных трубок из-за несовместимости с нуцеллусом. Уменьшение их числа при самоопылении подтверждено в ряде работ (Forschell, 1974; Kotelova, 1956, Belostotskaya, 1979; Kuznetsova, 1991, 2012). Так, по данным Н.В. Котеловой (Kotelova, 1956) сохранность шишек при самоопылении и перекрестном опылении составила 39 и 65%, соответственно, в нашем опыте – 40 и 69% при самоопылении и свободном опылении. Таким образом, результаты 2-летнего эксперимента по самоопылению и электронно-микроскопического изучения пыльцевых трубок при самоопылении и свободном опылении также свидетельствуют, что самофертильность сосны и генетическая система несовместимости покрытосеменных растений имеют одинаковую природу.

Несмотря на то что инбридинговая депрессия у сосны в прогамный период характеризуется таким же, как у покрытосеменных растений морфологическим и физиологическим проявлением, интенсивность реакций несовместимости даже у всс форм недостаточна, чтобы ингибировать развитие большинства инбредных трубок и разорвать репродуктивный цикл до сингамии гамет. Изучение инбредных пыльцевых трубок Pinus peuce показало, что они углубляются от 1/3 до 1/2 длины нуцеллуса и только некоторые из них меньше данного показателя (Hagman, Mikkola, 1963). Ультраструктурно несовместимость проявляется в виде более мощного каллозного слоя, который формируется между инбредной пыльцевой трубкой и нуцеллусом в течение 3-го периода ее развития (Kuznetsova, 1991).

По данным цитологического анализа инбридинговая депрессия у Pinus sylvestris проявляется в начале раннего эмбриогенеза, или перед дифференциацией зародыша (Svintsova, 2002). При сравнении числа оплодотворенных яйцеклеток при инбридинге и аутбридинге установлено, что негативное влияние инбридинга на количество зигот на семяпочку находится на уровне тенденции, и составляет 0.79. Признаки несовместимости инбредного зародыша с эндоспермом появляются после выхода его в коррозионную камеру (Kuznetsova, Isakov, 1987, Kuznetsova, 2012). В это время устанавливается связь с эндоспермом и происходит переход зародыша на новый источник питания. Близлежащие клетки эндосперма трансформируются в клетки секреторного типа, начинается активное перемещение свободных аминокислот, диссоциация молекул крахмала на более простые соединения и их поглощение зародышем (Konar, 1958). По мере разрушения и поглощения продуктов распада зародышем их место занимают клетки следующих слоев питающей ткани. При самоопылении несовместимость тканей зародыша и эндосперма ведет к тому, что часть веществ не проходит через клеточную оболочку и накапливается на внешней его границе в виде широкой зоны отторжения. После достижения пороговых концентраций данный слой изолирует зародыш от питательных веществ эндосперма и становится причиной его гибели. Последовательность гибели семян следующая: вначале формируется зона отторжения, затем погибает зародыш, и только после него разрушается эндосперм.

Сравнение инбридинговой депрессии выявило общую закономерность ее морфологического проявления у инбредных пыльцевых трубок SI видов цветковых растений и сс форм сосны обыкновенной. Так, их рост и развитие прекращаются не сразу, а по мере того, как зона отторжения начинает приближаться к порогу, по достижению которого сам слой становится барьером на пути перемещения питательных веществ. На основании того, что инбридинг разрывает репродуктивный цикл после оплодотворения, можно сделать вывод, что генетическая система несовместимости сосны обыкновенной по сравнению с видами цветковых растений находится на более раннем этапе эволюционного развития. Проанализируем некоторые этапы ее эволюции при переходе от голосеменных к покрытосеменным растениям.

Понятие несовместимости шире, чем самофертильности. Оно включает весь спектр реакций от перекрестной несовместимости до самонесовместимости. Все виды голосеменных – перекрестноопыляющиеся растения. Их дифференциация по самофертильности осуществляется на популяционном и организменном уровне, характеризуется высокой внутрипопуляционной изменчивостью (Barnes et al., 1962; Park, Fowler, 1984; Kuznetsova, 2012; и др.). У SI видов покрытосеменных механизмы, препятствующие самоопылению, и типы контроля самонесовместимости хорошо развиты, у голосеменных они выражены слабо или отсутствуют. У SI видов отторжение инбредных пыльцевых трубок происходит до оплодотворения, у голосеменных – после оплодотворения. Несовместимость у покрытосеменных растений встречается у 39% видов (Igic et al., 2008), у сосны обыкновенной доля сс форм на треть выше (Kuznetsova, 2012). При этом реакция на погодный стресс у них одинаковая: инбридинговая депрессия максимальна при оптимальной температуре, и снижается при ее повышении или понижении.

После того, как заросток папоротниковидных потерял способность к самостоятельному существованию, и репродуктивный процесс стал полностью осуществляться на спорофите, роль генетической системы несовместимости как основного регулятора взаимоотношений между вегетативной и генеративной сферой семенных растений существенно возросла. Главное ее предназначение – ограничить развитие зародыша на материнском растении пределами семени путем перевода его в состояние физиологического покоя. В противном случае само дерево будет обречено на гибель.

Одним из направлений эволюции генетической системы несовместимости покрытосеменных является переход от самонесовместимости к самосовместимости, процесс которого продолжается до настоящего времени (Agadzhanyan, 1992; De Nettancourt, 2001; Igic et al., 2008; Zhao et al., 2022 и др.). При анализе причин, лежащих в его основе, мы исходили из того, что при прогрессивной направленности эволюции семенных растений регулирование взаимоотношений между вегетативной и генеративной сферой на организменном уровне возможно лишь в том случае, когда эволюционные процессы будут совпадать с интенсификацией реакций несовместимости. Здесь очень важным является то обстоятельство, что интенсификация, как реально протекающий на базе таксона Spermatophyta эволюционный процесс, должна подчиняться фундаментальным законам природы. По закону сохранения количество вступающей в реакцию энергии и вещества должно быть равно количеству энергии и вещества ее продуктов. Это означает, что исходный уровень интенсивности реакций несовместимости в ходе эволюции семенных растений не меняется. В-третьих, по данным Lewis (1944), чем короче период между опылением и оплодотворением, тем интенсивность реакций несовместимости выше.

Предками совместимых видов покрытосеменных растений, как известно, были самонесовместимые виды голосеменных. При сохранении исходного уровня несовместимости эволюция голосеменных могла одновременно идти по нескольким направлениям. Во-первых, рост интенсивности реакций возможен лишь при переходе генетической системы несовместимости цветковых растений на видовой уровень организации. При этом возникновение SI видов происходило лишь в том случае, если появлялись виды, интенсивность реакций которых была ниже. Это одна из важных причин произошедшего в меловом периоде деления покрытосеменных на группы SI, SF и SC видов. Во-вторых, результатом интенсификации стал разрыв репродуктивного цикла между опылением и оплодотворением у SI видов. В-третьих, интенсивность реакций несовместимости могла повышаться за счет уменьшения интервала между опылением и оплодотворением. Установлено, что голосеменные растения по сравнению с покрытосеменными характеризуются более коротким периодом между опылением и оплодотворением (Kordyum, 1978).

Значительная часть покрытосеменных растений до сих пор представлена SI видами. На стыке требований прогрессивной эволюции и законов сохранения дальнейшее развитие систем семенного размножения покрытосеменных растений сопряжено с постепенным уменьшением доли SI видов, что доказано частыми переходами от SI к SC (Igic et al., 2008). Поскольку причина редукции заложена в природе самого процесса, то утрата SI видов необратима. Дальнейшее сокращение SI видов и продолжающееся развитие от самонесовместимости к самосовместимости (De Nettancourt, 2001; Igic et al., 2008; Zhao et al., 2022) дают основание рассматривать увеличение численности SC видов как одно из генеральных направлений эволюции систем размножения покрытосеменных растений (Agadzhanyan, 1992). Немаловажным фактом является то, что в условиях усиливающегося антропогенного прессинга и изменения климата SC виды, как более стрессоустойчивые, будут иметь адаптивное и селективное преимущество. В отношении сосны обыкновенной отметим: несмотря на то, что генетическая система несовместимости вида находится на более раннем этапе эволюционного развития, полученные данные свидетельствуют, что ее эффективность по предотвращению самоопыления очень высокая. К концу эмбриогенеза она удаляет из репродуктивного процесса более 90% инбредных генотипов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электронно-микроскопические данные, результаты 2-х и 12-летнего опыта по самоопылению свидетельствуют, что природа инбридинговой депрессии у сосны обыкновенной обусловлена действием генетической системы несовместимости, которая находится на более ранней, чем у покрытосеменных растений стадии эволюционного развития. Показано, что ее организация уже на данном этапе имеет все потенции для дальнейшего развития и совершенствования, прослеживается прямая связь с генетической системой несовместимости покрытосеменных растений.

При самоопылении интенсивность реакций несовместимости между мужским гаметофитом и нуцеллусом недостаточна, чтобы остановить развитие пыльцевых трубок, и самооплодотворение, как правило, имеет место. В раннем эмбриогенезе реализуется инбридинговая депрессия (несовместимость зародыша и эндосперма), которая отличается высокой эффективностью, удаляя из репродуктивного процесса более 90% инбредных генотипов.

Генетическая система несовместимости выполняет ряд важных функций. Во-первых, адаптирует генотипический состав семян к специфике регионального климата, обеспечивая приспособление сосновых лесов к разным природно-климатическим условиям ареала Pinus sylvestris L. и выживание вида в пределах его адаптационных возможностей. Во-вторых, регулирует близкородственные отношения особей в популяциях. В-третьих, осуществляет контроль развития и регулирует отношения между вегетативной и генеративной сферой растений на организменном уровне.