Введение к работе
Актуальность темы.
Коллекция тропических и субтропических орхидных (Orchidaceae Juss.) Фондовой оранжереи ГБС РАН, на сегодняшний день, насчитывает 1120 видов, подвидов и форм из 222 родов, а также более 300 гибридных сортов и является самой представительной коллекцией орхидных в России (Демидов, Коломейцева, 2007).
В оранжерейных условиях имеется ряд трудностей, связанных с получением полноценных семян. Прежде всего, это ограниченное число образцов из разных популяций, представленных в коллекциях, а также нестабильность цветения. Как правило, семена орхидных получают с помощью искусственного опыления. Успешное перекрестное опыление предполагает наличие в коллекции генетически различных образцов и детальное изучение особенностей репродуктивной биологии (Буюн, 2009).
Успешность прорастания семян орхидных в асимбиотических условиях зависит, прежде всего, от степени развитости зародыша (или зародышей), наличия биологического и экологического покоя и др. Немаловажное значение имеет и строение семенной кожуры, ее плотность и скульптурность, наличие в ее клеточных стенках дубильных или иных веществ, ингибирующих прорастание (van Waes, Debergh, 1986; Коломейцева, 2005). Для снятия физиологического механизма торможения прорастания широко применяют методы предпосевной обработки семян (удаление ингибиторов путем длительного вымачивания зрелых семян), оптимизации питательных сред и условий содержания сеянцев, однако наиболее эффективен посев незрелых семян в асимбиотической культуре по методике «green pod culture» (Tsuchiya, 1954; Sauleda, 1976). Культивирование незрелых семян позволяет не только повысить их всхожесть, но и существенно сократить срок созревания (Withner, 1955; Arditti et al., 1982; Rasmussen, 1995).
Одним из наиболее перспективных способов сохранения генетического материала редких растений ex situ является создание банков семян, пыльцы и культуры клеток, хранящихся в условиях глубокого замораживания при температуре -196С. При таких сверхнизких температурах прекращаются процессы метаболизма и отсутствуют существенные физико-химические изменения, что дает возможность сохранять объекты живыми в состоянии анабиоза неограниченно длительное время (Бутенко, Попов, 1979; Stanwood, 1985; Engelmann, 1991; Тихонова, 1999; Попов и др., 2004).
Немногочисленные исследования по криоконсервации семян представителей семейства орхидных свидетельствуют о том, что, благодаря особенностям структуры, семена этих растений являются идеальным объектом для криосохранения, поскольку не требуют криопротекторов и сложных методов защиты от повреждающего действия сверхнизких температур (Pritchard, 1984; Никишина и др., 2001,2003).
Альтернативой длительному хранению вегетативных и генеративных диаспор орхидных в жидком азоте является создание банка протокормов в культуре in vitro, что особенно актуально в целях сохранения сортового разнообразия коллекций и массового (промышленного) размножения (Черевченко и др., 2009).
Актуальность настоящих исследований обусловлена и тем, что все представители семейства орхидных включены в списки редких и исчезающих видов растений, в частности, в Международную Красную книгу и Приложения I и II к Конвенции о международной торговле видами дикой флоры и фауны, находящимися под угрозой исчезновения (IUCN, 1994, 2001; CITES, 1995, 1997, 2001).
Цель исследования: Выявление специфики развития генеративных структур редких видов орхидных и оптимизация способов длительного хранения их семян и протокормов.
Задачи исследования:
-
Изучить особенности цветения и искусственного опыления орхидных в оранжерейной культуре;
-
Выявить механизмы автоопыления;
-
Оптимизировать генеративное размножение редких видов орхидных;
-
Оценить жизнеспособность и изучить морфологические особенности семян;
-
Вывить экологическую дифференциацию семян видов из родов Paphiopedilum Pfitz. uDendrobium Sw.;
-
Разработать методы длительного хранения протокормов in vitro;
-
Оценить возможность использования зрелых семян для криосохранения орхидей.
Научная новизна исследований:
Впервые изучены особенности искусственного опыления и выявлено многообразие по степени перекрестноопыляемости у орхидных в оранжерейной культуре. Изучены механизмы автоопыления и выявлены различия их проявления у разных образцов одного вида. Выявлены особенности и динамика развития семян в плодах 4 редких видов орхидных. Впервые проведено сравнительно-морфологическое изучение семян 95 видов и внесены уточнения в разработанную R.Dressler (1993) классификацию типов семян орхидных. Выявлена корреляция между морфометрическими показателями семян и принадлежностью видов к разным экологическим группам. Впервые установлены сроки созревания плодов 95 видов орхидных в оранжерейных условиях. Получены данные о высокой криоустойчивости семян 5 видов орхидей при прямом погружении в жидкий азот и показаны различия в методах оценки жизнеспособности криосохраненных семян.
Практическая значимость работы:
-
Криобанк семян орхидных пополнен 85 видами; разработаны паспорта семян, хранящихся в жидком азоте;
-
Создан банк протокормов in vitro, включающий 38 видов;
-
Установлены оптимальные схемы скрещивания 120 видов тропических и субтропических орхидных;
-
Определены наиболее ранние оптимальные сроки посева незрелых семян 4 редких видов;
-
Произведен посев семян 95 видов орхидей на питательные среды в культуре in vitro;
-
Разработана безгормональная питательная среда, ингибирующая прорастание и органогенез протокормов орхидных в целях их длительного хранения.
Полученные данные могут быть полезны для уточнения спорных вопросов систематики и филогении, в селекционной практике, а также при дальнейшей работе по созданию банка семян и протокормов орхидных.
Апробадия работы. Основные положения диссертации изложены на студенческой конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии и экологии» (Пермь, 2005 г), 10-й Пущинской международной школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пушино, 2006 г), VIII Международной конференции «Охрана и культивирование орхидей» (Тверь, 2007 г), XVI Международной научной конференции «Роль ботанических садов в изучении онтогенеза интродуцированных растений» (Харьков, 2008 г), II Всероссийской научно-практической конференции «Биология как инструмент сохранения биоразнообразия растительного мира» (Волгоград, 2008 г), 12-й Пущинской международной школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2008 г), международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии» (Донецк, 2009 г), международной научно-практической конференции «Сохранение биоразнообразия тропических и субтропических растений» (Киев, 2009 г), VII международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И.Серебряковых (Москва, 2009 г), ученых советах ГБС РАН.
