Растительные ресурсы, 2020, T. 56, № 2, стр. 112-128

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Материалом в опыте послужили 74 образца семян (односемянных плодов) 64 видов из 44 родов и 21 семейства (звездочкой отмечены виды, занесенные в Красную книгу Российской Федерации [9], двумя звездочками – виды, занесенные в региональные Красные книги [10, 11]): Allium gubanovii Kamelin, A. ochotense Prokh., A. ramosum L., A. senescens L., A. splendens Willd. ex Schult. et Schult. f. (Alliaceae); Angelica cincta H. Boissieu, A. czernaevia (Fisch. et C.A. Mey.) Kitag., A. maximowiczii Benth. ex Maxim., Bupleurum longiradiatum Turcz., B. scorzonerifolium Willd., Kitagawia terebinthacea (Fisch. ex Trevir.) Pimenov, Sium suave Walter (Apiaceae); Metaplexis japonica (Thunb.) Makino, Pycnostelma paniculatum K.Schum., (Asclepiadaceae); Asparagus oligoclonos Maxim., A. schoberioides Kunth (Asparagaceae); Cardamine prorepens Fisch. ex DC., Cardaminopsis petraea (L.) Hiitonen, Draba nemorosa L. (Brassicaceae); Adenophora gmelinii Fisch., A. pereskiifolia G.Don, A. sublata Kom., A. verticillata Fisch., Campanula cephalotes Fisch. ex Fed., C. punctata Lam., Lobelia sessilifolia Lamb. (Campanulaceae); **Arenaria redowskii Cham. et Schltdl., Dianthus chinensis L., D. superbus L., Eremogone juncea (M.Bieb.) Fenzl, Minuartia laricina Mattf., Silene firma Siebold et Zucc., S. jeniseensis Willd. (Caryophyllaceae); Convallaria keiskei Miq., Polygonatum odoratum (Mill.) Druce (Convallariaceae); Orostachys malacophylla (Pall.) Fisch., O. spinosa (L.) Sweet (Crassulaceae); *Dioscorea nipponica Makino (Dioscoreaceae); Scabiosa lachnophylla Kitag. (Dipsacaceae); Phyllodoce caerulea (L.) Bab., Rhododendron aureum Georgi (Ericaceae); Securinega suffruticosa (Pall.) Rehder (Euphorbiaceae), Halenia corniculata (L.) Cornaz, Ophelia diluta Ledeb. (Gentianaceae); Hemerocallis middendorffii Trautv. et C.A. Mey., H. minor Mill. (Hemerocallidaceae); Fritillaria maximowiczii Freyn, Lilium pensylvanicum Ker Gawl. (Liliaceae), Veratrum ussuriense Nakai (Melanthiaceae); Aconogonon divaricatum (L.) Nakai (Polygonaceae); Androsace septentrionalis L., **Cortusa amurensis Fed., Primula farinosa L. (Primulaceae); Aconitum kusnezoffii Rchb., Aquilegia oxysepala Trautv. et C.A. Mey., Clematis fusca Turcz., C. hexapetala Pall., C. manschurica Rupr., Leptopyrum fumarioides Rchb., Thalictrum amurense Maxim., Th. contortum L., Th. minus L. (Ranunculaceae); Sanguisorba officinalis L., Sieversia pusilla Hultén (Rosaceae).

Из 64 изученных видов 53 вида являются многолетними травянистыми поликарпиками, 6 видов – одно-двулетними монокарпиками, одним видом представлены жизненные формы: вечнозеленый стланец, летнезеленый кустарник, вечнозеленый кустарничек, полукустарник и полукустарничек [12]. Исследуемые виды встречаются в различных растительных сообществах, включая горные тундры, хвойные и лиственные леса, луга, болота, остепнённые участки и галечники. Все они адаптированы к зимним отрицательным температурам.

Среди изученных видов 32 вида применяются в народной медицине, 4 вида (Convallaria keiskei, Dioscorea nipponica, Sanguisorba officinalis, Securinega suffruticosa) используются в официальной медицине [13], 42 – декоративны, есть также медоносы и пищевые растения.

Семена собирали в природных популяциях на территории Амурской обл. (Благовещенский, Бурейский, Тамбовский, Свободненский, Мазановский, Зейский р-ны) и Хабаровского края (отроги Кур-Урмийского горного хребта в среднем течение р. Ярап) в 2014–2017 гг. Морфологические особенности семян изучали с помощью бинокулярного стереоскопического микроскопа Nikon SMZ 645, оборудованного окулярной камерой серии ToupCam. Массу семян определяли, взвешивая 3 пробы (по 100 семян в каждой пробе), размеры – в 30-кратной повторности.

Семена проращивали с учетом имеющихся рекомендаций [2, 3, 14, 15]; при отсутствии сведений условия проращивания подбирали эмпирически. Проращивание проводилось при 23 ± 1 °C на свету (использовали 12-ти часовое освещение) и в темноте, при 7 ± 1 °C в бытовом холодильнике. Для доразвития зародыша семена некоторых видов проращивали в климатической камере RUMED Type 1001 bis 1601 при 12-ти часовом освещении, 50% относительной влажности и переменных температурах в течение суток: 8 °C – 12 ч, 22 °C – 12 ч, а затем – при постоянной температуре. Холодную стратификацию проводили при температуре 2 °С. Семена проращивали в стеклянных чашках Петри на ватно-бумажных матрасиках, увлажненных водопроводной водой. Лабораторную всхожесть определяли по методике, разработанной Г.Е. Левицкой [16] для дикорастущих видов Подмосковья. Всхожесть семян большинства видов определяли в выборке 200 шт. (4 × 50), для крупных семян использовали выборку 150 шт. (6 × 25), для семян с низким качеством – 200 шт. (8 × 25). В соответствии с рекомендациями [17], жизнеспособными считали проросшие и непроросшие (твердые) свежесобранные семена.

В таблицах представлены средние значения и их стандартные ошибки. Для определения статистической значимости различий параметров семян одного вида использовали непарный критерий t Стьюдента. Латинские названия растений в работе приведены в соответствии с международной базой The International Plant Names Index.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Перед постановкой опытов по проращиванию семян были изучены их морфологические особенности. Изучение внешнего строения семян показало, что форма, поверхность, окраска, а также выросты на поверхности семян видоспецифичны. Величины, характеризующие размеры и массу семян, могут изменяться в зависимости от года сбора и местообитания вида (табл. 1). Так, семена Securinega suffruticosa, собранные в разные годы в одной и той же популяции, различались массой, длиной и шириной, в то время как семена, собранные в разных популяциях приблизительно в одно и тоже время, не имели достоверных различий линейно-весовых параметров семян. На примере некоторых видов (Eremogone juncea, Hemerocallis minor) можно отметить, что разнице в массе не всегда соответствует разница в размерах, из-за различий в выполненности семян.

Одним из важных критериев при организации ex situ хранения растений, является качество сформировавшихся плодов и семян. Результаты, представленные в табл. 2, показывают, что большинство видов в годы наблюдений формировали семена высокого качества (более 80%). Средние показатели качества свежесобранных семян (50–80%) отмечены у Allium ramosum, Angelica cincta, A. czernaevia, Cardamine prorepens; низкое качество семян, собранных в разные годы в разных популяциях, – у Dioscorea nipponica и Hemerocallis minor.

В литературе [18, 19] распространено мнение, что формирование жизнеспособных семян зависит от распространения популяций вида в пределах своего ареала, наличия насекомых-опылителей, климатических и погодных условий в период цветения и созревания плодов и прочих экологических факторов. Данное утверждение справедливо, на наш взгляд, лишь отчасти. Так, низкое качество семян Dioscorea nipponica обусловлено нарушением морфогенетических корреляций в развитии семени, отсутствием зародыша как наиболее часто распространенной аномалии строения [20, 21]. У представителей семейства Fabaceae существует генетически закрепленная частичная гибель женского гаметофита, доля семязачатков с неоплодотворенными яйцеклетками составляет около 50% от числа фертильных семязачатков, а одной из причин дегенерации семязачатков с оплодотворенными яйцеклетками является нарушение в развитии эндосперма [22]. У некоторых хвойных растений имеет место партеноспермия, в результате чего формируются семена без зародышей [23]. Таким образом, причины низкого качества семян обусловлены не только факторами внешней среды, но и является индивидуальными, закрепленными генотипом вида особенностями эмбриональных процессов.

Лабораторная всхожесть очищенных от плодовых оболочек семян Aconogonon divaricatum, Clematis hexapetala, C. manschurica и Thalictrum contortum значительно выше, чем у плодов. Перед закладкой на хранение следует прибегнуть к рентгенографии семян – одному из наиболее перспективных недеструктивных методов определения их качества [24]. Извлекать семена из плодовых оболочек для выбраковки неполноценных семян нецелесообразно потому, что околоплодник увеличивает продолжительность жизни семян.

Быстрая потеря всхожести семян при комнатном хранении отмечена у Eremogone juncea и Kitagawia terebinthacea. Семена этих видов после сбора находятся в слабом физиологическом покое, при проращивании на свету характеризуются высокой энергией прорастания, качеством семян и проростков. Спустя 6 месяцев комнатного хранения лабораторная всхожесть семян с 98% снизилась до 54–60% (табл. 2), наблюдалось замедление процесса прорастания: увеличилось лаг-время, снизилась энергия прорастания, у проростков наблюдались аномалии формирования корешка. Данные нашего исследования совпадают с результатами Г.Е. Левицкой [25], указывающей, что старение семян зависит от срока их пребывания в комнатных условиях.

К микробиотикам также относятся Adenophora pereskiifolia, A. sublata, Angelica cincta, Halenia corniculata и Sieversia pusilla: хранение семян в течение 1–3-х лет приводит к падению всхожести до 9–23%. Быстрая потеря жизнеспособности семян при хранении отмечена для Cardamine prorepens, семена которого характеризовались невысоким начальным качеством. Сходные закономерности выявлены в работах других авторов [26, 27].

Для исследуемых видов по классификации М.Г. Николаевой с соавторами [2], был определен тип покоя семян. Это имеет смысл даже в отношении уже изученных видов не только из-за неполноты имеющихся сведений и различий в методике определения лабораторной всхожести, но и потому, что семена одного вида в разных условиях могут иметь разный по глубине покой [28].

В большинстве случаев результаты нашего исследования совпали с литературными данными [2, 3, 14, 20]. Для четырех видов выявлены отличия в глубине покоя семян. Семена Securinega suffruticosa, имеющие глубокий физиологический покой [2], после 1 года хранения в комнатных условиях прорастают в течение 10 сут в темноте без предварительной холодной стратификации. Лабораторная всхожесть семян при проращивании в темноте составляет около 80%, на свету – 65% (табл. 2). Таким образом, большая часть семян двух изученных популяций этого вида не находится в состоянии глубокого физиологического покоя.

Свежесобранные семена Lilium pensylvanicum прорастают вслед за обсеменением, что также не совпадает с литературными сведениями [2], согласно которым семена этого вида имеют морфофизиологический эпикотильный покой (БВ–В^э) и для вывода их из этого состояния необходима холодная стратификация. С.А. Волкова [15] при проращивании семян видов Bupleurum рекомендует использовать холодную стратификацию, которая повышает лабораторную всхожесть семян до 80–90%. В наших опытах данные рекомендации оказались малоэффективны в снятии покоя семян B. longiradiatum. При двухэтапной стратификации (30 сут – тепло, 60 сут – холод) лабораторная всхожесть семян возрастает в 2 раза, однако остается низкой (табл. 2).

У семян Primula farinosa выявлен глубокий органический покой, что не согласуется с литературными сведениями, указывающими на незатрудненное прорастание семян на свету при комнатной температуре [2]. Лабораторная всхожесть семян P. farinosa Кур-Урмийской популяции низкая (табл. 2); ее показатели приблизительно равны в трех вариантах опыта: холодная стратификация, тепло-холодная стратификация, переменные температуры в течение суток и в контроле (при проращивании семян без предварительной предпосевной обработки).

В ходе эксперимента выяснилось, что семена всех видов хорошо набухают. Хорошая водопроницаемость покровов указывает на отсутствие у них физического покоя и исключает необходимость скарификации и импакции. Из 59 видов, отсутствующих в справочнике М.Г. Николаевой с соавторами [2], по нашим данным в неглубоком физиологическом покое (В₁) находятся семена Aconogonon divaricatum, Adenophora pereskiifolia, A. sublata, Arenaria redowskii, Bupleurum scorzonerifolium, Campanula cephalotes, Cardaminopsis petraea, Dianthus chinensis, Draba nemorosa, Eremogone juncea, Kitagawia terebinthacea, Leptopyrum fumarioides, Metaplexis japonica, Ophelia diluta, Orostachys spinosa, Pycnostelma paniculatum, Scabiosa lachnophylla, видов Silene. У Adenophora gmelinii, A. verticillata, Campanula punctata, Cardamine prorepens, Lobelia sessilifolia, Minuartia laricina, Sieversia pusilla все семена или их большая часть находятся в состоянии промежуточного физиологического покоя (В₂). Свежесобранные семена этих видов в лабораторных посевах дают всходы только в условиях двухэтапной тепло-холодной стратификации. Сухое хранение покой семян полностью не снимает, для семенного воспроизводства следует прибегнуть к холодной стратификации.

Для видов Aquilegia oxysepala, Orostachys malacophylla, Phyllodoce caerulea, Rhododendron aureum отмечена вариабельность семян по степени глубины покоя: 80–90% семян образца находится в состоянии неглубокого физиологического покоя, 10–20% семян имеет промежуточный физиологический покой. Разнообразие семян по глубине покоя внутри одного образца, на наш взгляд, можно рассматривать как частный случай гетероспермии, под которой понимают варьирование семян по морфологическому и анатомическому строению, характеру прорастания и др. признакам [29]. На наличие неглубокого физиологического покоя у семян изученных образцов указывают высокая энергия прорастания, одновершинная кривая и короткий период прорастания семян. Наряду с микробиотиками, в первую очередь необходимо хранение в коллекциях семян с вынужденным или неглубоким органическим покоем. В отличие от семян с глубоким органическим покоем, у таких представителей не происходит накопление семян в почве.

Семена видов Angelica и Sium suave имеют глубокий физиологический покой (В₃), для снятия которого требуется длительная холодная стратификация. У A. czernaevia, в отличие от других видов, около 10% всех жизнеспособных свежесобранных семян способны прорастать без предварительной предпосевной обработки.

Семена Allium gubanovii, A. ramosum, A. splendens, видов Asparagus и Hemerocallis, Lilium pensylvanicum и Veratrum ussuriense имеют морфологический тип покоя (Б): холодная стратификация не оказывает влияния на выход семян из состояния покоя, семена прорастают равномерно, без перерыва.

Морфофизиологический простой покой (Б–В) свойственен семенам Allium senescens, Androsace septentrionalis, Clematis hexapetala, C. manschurica, видам рода Thalictrum: доразвитие зародышей происходит в условиях теплой стратификации. Холодная стратификация не оказывает существенного влияния ни на лабораторную всхожесть, ни на энергию прорастания семян. Семена с морфофизиологическим покоем прорастают с перерывами и в течение более длительного периода в сравнении с семенами, для которых характерен морфологический покой.

Морфофизиологический сложный покой (БВ–В) выявлен у семян Allium ochotense, Clematis fusca и Halenia corniculata; эпикотильный (Б–В^э) – у Convallaria keiskei и Fritillaria maximowiczii; глубокий (БВ–В₃) – у Aconitum kusnezoffii. Для семян Allium ochotense Ю.Н. Днепровским с соавторами [14] выявлены очень низкая энергия прорастания и крайне медленное подземное развитие проростков: при посеве в грунт семена этого вида не дают всходов в тот же год. Авторы относят семена A. ochotense к стенотермному типу: суточные колебания температуры в режиме 10–20 °C тормозят прорастание семян, максимальные показатели лабораторной всхожести семян отмечены при 19–21 °C. В наших опытах получены сходные результаты: длительный период прорастания семян в условиях теплой стратификации, отсутствие всходов при проращивании семян в течение 6 месяцев в режиме суточных колебаний температуры 8–22 °C. Однако наше предположение о том, что суточные колебания температуры стимулируют доразвитие зародышей, подтверждает «взрывной» характер прорастания семян, наблюдаемый при смене переменного температурного режима на постоянный (табл. 2).

Подобная закономерность была выявлена и для семян Fritillaria maximowiczii. Стратификация семян этого вида в течение 2 месяцев в режиме суточных колебаний температуры почти в 2 раза сокращает период прорастания семян в сравнении с контролем. Предварительная предпосевная обработка семян Aconitum kusnezoffii оказалась малоэффективной: ни длительная холодная стратификация, ни проращивание семян в режиме суточных колебаний температур не оказывают существенного влияния ни на лабораторную всхожесть, ни на энергию прорастания семян этого вида (табл. 2).

Доработка методик проращивания семян необходима в отношении Cortusa amurensis и Primula farinosa: лабораторная всхожесть остается весьма низкой, как в эксперименте с длительной холодной стратификацией, так и при проращивании семян в условиях двухэтапной тепло-холодной стратификации.

Изучение роли света как фактора покоя показало, что реакция свежесобранных семян Adenophora pereskiifolia, Bupleurum scorzonerifolium, Dianthus chinensis, Eremogone juncea, Metaplexis japonica, видов Orostachys и Silene на свет является частным случаем неглубокого физиологического покоя, она полностью теряется по мере сухого хранения семян. В большинстве случаев свет стимулирует прорастание семян, но на свежесобранные семена Securinega suffruticosa свет воздействует как ингибитор (табл. 2).

Светочувствительность выявлена нами у семян Adenophora verticillata, Draba nemorosa, Campanula punctata, Clematis fusca, Cortusa amurensis, Ophelia diluta, Phyllodoce caerulea и Rhododendron aureum; подтверждена – у Androsace septentrionalis, Primula farinosa и Sanguisorba officinalis, ранее известных светочувствительными свойствами семян [2, 3]. Сухое хранение не снимает покой у семян этих видов, при проращивании в темноте всходы, как правило, единичные, при перенесении чашек Петри на свет, семена выходят из состояния покоя. Часть семян Aquilegia oxysepala и Thalictrum minus после сухого хранения проявляют светочувствительные свойства. Данные нашего исследования о светочувствительности семян являются неполными потому, что у большинства видов светочувствительность проявляется при определенных температурных условиях [30].

На прорастание семян некоторых видов свет оказывает тормозящее действие. Так, если семена Allium gubanovii, A. splendens, Asparagus oligoclonos, видов Hemerocallis, Lilium pensylvanicum можно отнести к темновсхожим [3] (при проращивании на свету увеличивается лаг-время, снижается энергия прорастания), то на семена A. schoberioides, Convallaria keiskei, Polygonatum odoratum и Dioscorea nipponica свет действует как ингибитор. В темноте все жизнеспособные семена D. nipponica прорастают в течение 20 сут с момента их увлажнения. При проращивании семян на свету в течение 90 сут всходов не отмечено (табл. 2). После перенесения чашек Петри в темноту всходы появляются уже на 4-е сут, а все жизнеспособные семена прорастают в течение последующих 10 сут. Семена D. nipponica имеют широкие температурные границы прорастания: при температуре 7 ± 1 °C прорастают на 58‑е сут с момента их увлажнения. Это противоречит литературным данным, указывающим, что доразвитие зародышей семян происходит только при 23 °С [23]. Семена Convallaria keiskei после предварительного проращивания в режиме суточных колебаний температуры в темноте прорастают в течение 40 сут, а при проращивании на свету всходов не дают (табл. 2).

Следует отметить весьма слабую изученность представителей аборигенной флоры ДВР на предмет светозависимости их семян. В обобщающих сводках [2–4] есть информация о светочувствительности семян отдельных ее представителей. Сведений о видах, на семена которых свет действует как ингибитор, нами не обнаружены. По-видимому, это связано с тем, что и торможение прорастания светом изучалось значительно меньше, чем явление светочувствительности [30]. Светочувствительность семян связывают с эколого-ценотическими условиями обитаний растений, объясняя это тем, что в лесных и лугово-болотных ценозах свет, а не влажность выступает лимитирующим фактором прорастания семян [4].

Температурный диапазон прорастания семян нами не изучался, однако в ходе опытов выяснилось, что оптимальной для проращивания семян большинства видов является температура 22–24 °С. Пониженная температура (6–8 °С) необходима для проращивания семян Aconitum kusnezoffii и Fritillaria maximowiczii. Температурные оптимумы прорастания семян, также как, и светочувствительность, связывают с экологическими условиями обитаний растений [3, 4, 14]. Анализ литературных данных показывает, что эвритермные семена в основном свойственны видам открытых и периодически сухих местообитаний: остепненных склонов, галечников, опушек леса, а стенотермные – представителям мезофильной лугово-лесной флоры.

В целом характер зависимости прорастания семян изученных видов от экологических факторов является преимущественно видовой особенностью, сложившейся, как отмечали и другие исследователи, под действием современных климатических и эколого-ценотических условий в течение всей истории формирования вида.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение семян 64 видов флоры ДВР выявило изменчивость линейно-весовых и некоторых биологических признаков семян. За небольшим исключением дикорастущие виды в годы наблюдений продуцировали семена высокого качества. Целесообразным в дальнейшем является изучение потери всхожести семян при хранении в условиях низких отрицательных температур, которое позволит подобрать для каждого вида оптимальную температуру хранения семян. К микробиотикам относятся Adenophora pereskiifolia, A. sublata, Angelica cincta, Eremogone juncea, Halenia corniculata, Kitagawia terebinthacea, Sieversia pusilla: долговечность семян этих видов при хранении в комнатных условиях не превышает 3-х лет.

Физиологический покой семян свойственен большинству представителей: неглубокий (В₁) характерен для Aconogonon divaricatum, Adenophora pereskiifolia, A. sublata, Aquilegia oxysepala, Arenaria redowskii, Bupleurum scorzonerifolium, Campanula cephalotes, Cardaminopsis petraea, Dianthus chinensis, Draba nemorosa, Eremogone juncea, Kitagawia terebinthacea, Leptopyrum fumarioides, Metaplexis japonica, Ophelia diluta, видов Orostachys и Silene, Phyllodoce caerulea, Pycnostelma paniculatum, Rhododendron aureum, Sanguisorba officinalis, Scabiosa lachnophylla; промежуточный (В₂) – Adenophora gmelinii, A. verticillata, Campanula punctata, Cardamine prorepens, Lobelia sessilifolia, Minuartia laricina, Sieversia pusilla; глубокий (В₃) – видов Angelica и Sium suave. Морфологический покой (Б) свойственен семенам Allium gubanovii, A. ramosum, A. splendens, видам родов Asparagus и Hemerocallis, Lilium pensylvanicum, Veratrum ussuriense; морфофизиологический простой (Б–В) – Allium senescens, Androsace septentrionalis, Clematis hexapetala, C. manschurica, видам рода Thalictrum; морфофизиологический сложный (БВ–В) – Allium ochotense, Clematis fusca и Halenia corniculata; эпикотильный (Б–В^э) – Convallaria keiskei и Fritillaria maximowiczii; глубокий (БВ–В₃) – Aconitum kusnezoffii.

Для видов, семена которых характеризуются низкой лабораторной всхожестью (Bupleurum longiradiatum, Cortusa amurensis, Primula farinosa), требуется доработка методик проращивания семян. Оптимальной для проращивания семян большинства видов является температура 22–24 °С, пониженная температура (6–8 °С) необходима для проращивания семян Aconitum kusnezoffii и Fritillaria maximowiczii. Светочувствительность выявлена у семян Adenophora verticillata, Draba nemorosa, Campanula punctata, Clematis fusca, Cortusa amurensis, Ophelia diluta, Phyllodoce caerulea и Rhododendron aureum. На семена Asparagus schoberioides, Convallaria keiskei, Polygonatum odoratum и Dioscorea nipponica свет оказывает ингибирующее действие.

Результаты проведенного исследования послужат рекомендациями при формировании банка семян и семенного воспроизводства видов в культуре.