CC BY
95
ФЕРТИЛЬНОСТЬ ПЫЛЬЦЫ У видов CERASUS И MICROCERASUS ^ОЗЛОЕЛЕ)
Л.Ф. ЯНДОВКА,
кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина
Ключевые слова: фертильность пыльцы, водный и температурный стрессы, УФ- и электронное облучение, генетическое происхождение сортов, Cerasus fruticosa, C. vulgaris, C. avium, Microcerasus tomentosa.
392622, г. Тамбов,
ул. Интернациональная, 33;
тел. 8-9606608454;
e-mail: [email protected]
Растения вишни и черешни человечество сотни лет использует в пищу как в свежем виде, так и в консервированном. Плоды этих растений содержат богатый комплекс биологически активных веществ, полезных для организма человека.
Издавна культивируемые растения вишни и черешни в настоящее время в ряде регионов выводятся из сельскохозяйственного производства в связи с гибелью их насаждений. Для дальнейшего успеха селекции плодовых растений необходимо выведение новых форм, устойчивых к неблагоприятным условиям и способных ежегодно давать большой урожай плодов. Эти попытки не всегда являются успешными. Одна из причин неудач селекционеров -значительное исчерпание резервов генофонда косточковых растений для селекции их хозяйственно-ценных признаков, узкая генетическая основа современных сортов. В связи с этим возникла необходимость использования в селекции признаков (генов), имеющихся не только у культурных форм растений, но и признаков (генов) их исходных форм.
Повторное введение в геном культурных растений «полезных» генов от их дикорастущих предков невозможно без детального изучения последних. Это направление исследований приобретает актуальность и в связи с выявлением механизмов воздействия внешних неблагоприятных факторов на репродуктивные структуры в аспекте общей проблемы сохранения биологического разнообразия, а также выведения новых
форм культурных растений.
Изучение фертильности пыльцы представляет особый интерес в исследованиях онтогенеза растений. По качеству пыльцевых зёрен как одному из признаков можно производить отбор наиболее урожайных форм. Имеющиеся литературные данные посвящены разным аспектам формирования тетрад микроспор и развития пыльцевого зерна [3, 4, 8]. Однако характер влияния разных факторов на фертильность пыльцы у косточковых растений изучен недостаточно. Представленный материал в основном носит фрагментарный характер. Одни авторы [4] выделяют влияние двух факторов (условия года и генотип) на фертильность пыльцы, другие [1] считают, что на жизнеспособность пыльцы плодовых растений оказывает влияние агротехника выращивания и погодные условия. Установлено неблагоприятное влияние температурного стресса на процесс формирования пыльцевых зёрен [1, 2].
До настоящего времени изложенные выше проблемы у косточковых плодовых растений были изучены недостаточно, что и определяет актуальность темы.
Цель и методика исследований
Целью работы было изучение факторов, влияющих на процессы формирования мужской генеративной сферы у косточковых плодовых растений для выявления возможностей селекционной работы и определения перспективных форм. В качестве объектов были взяты представители нескольких видов, отно-
сящихся, согласно Н.Н. Цвелеву [6], к трём родам: Cerasus Mill. (Cerasus fruticosa, C. vulgaris - широко известный в ЦЧЗ России сорт Владимирская и новые сорта: вишнёвый гибрид Интенсивная, вишне-черешневый гибрид Фея и вишне-черёмуховый гибрид Харитонов-ская селекции ВНИИГиСПР им. Мичурина), C. avium (сорт Итальянка), Microcerasus M. Roem. (M. tomentosa).
Фертильность пыльцы оценивали с помощью следующих методов:
1) ацетокарминовый метод, базирующийся на способности пыльцевых зёрен по-разному адсорбировать химические вещества (ацетокармин);
2) метод проращивания пыльцы на искусственных питательных средах, состоящих из агар-агара, сахарозы и борной кислоты [5].
Результаты исследований
Морфология и фертильность пыльцы. У изученных растений в условиях контроля пыльца округлая и трёхбороздная. Форма пыльцевых зёрен, согласно классификации Эрдтмана [7], почти сфероидальная. Наблюдается дефор-мированность пыльцевых зёрен, которая выражается в уменьшении клеточного содержимого наряду с изменениями формы и размера,
Pollen fertility, water and temperature regimes, Uf- and electronic radiation, genetic origin of sorts, Cerasus fruticosa, C. vulgaris, C. avium, Microcerasus tomentosa.
связанными с воздействиями внешних условий. Наблюдается широкий диапазон изменчивости пыльцевых зёрен по размеру, причём даже в пределах одного пыльника (мелкая пыльца - менее 20 мкм, крупная пыльца - более 50 мкм, пыльца средних размеров - 21-49 мкм). Мелкая и крупная пыльца часто не окрашивается ацетокармином; из неё, как правило, в процессе роста образуются короткие пыльцевые трубки или такие пыльцевые зёрна вообще не прорастают. Слишком крупные пыльцевые зёрна, по-видимому, могут обеспечить возможность получения полиплоидных растений в практической селекции. У вишни войлочной в основном образуется пыльца средних размеров; размеры пыльцевых зёрен - 22,4 мкм. У черешни пыльцевые зёрна мало различаются (23,5 мкм). У вишни обыкновенной (сорт Владимирская) средний диаметр пыльцевых зёрен - 26,3 мкм (у гибридов пыльца немного крупнее); встречается крупная и мелкая пыльца. Вишня степная характеризуется самым большим из изученных видов разнообразием пыльцы по размеру; средний диаметр пыльцевых зёрен -33,2 мкм. У исследуемых растений во время опыления при прорастании вегетативной клетки пыльцевой трубкой генеративная клетка делится с образованием двух спермиев, которые впоследствии принимают удлинённую форму с заострёнными концами. Сле-
довательно, зрелое пыльцевое зерно у видов трёхклеточное.
Оценка фертильности пыльцы разными методами свидетельствует о том, что полученные результаты различаются. Окрашивание пыльцы с помощью ацетокармина выявило у всех растений достаточно высокий процент фертильных, морфологически сформированных пыльцевых зёрен - 72-98%. Пыльца по-разному прорастает на искусственной питательной среде: пыльцевыми трубками средней (5-12 диаметров пыльцевого зерна), большой (>13 диаметров) и короткой (менее 3-5 диаметров пыльцевого зерна) длины. Вишня обыкновенная (сорт Владимирская) характеризуется наибольшими показателями прорастания пыльцы на искусственной питательной среде - 60,5% (табл. 1). У вишни степной, черешни и вишни войлочной жизнеспособность пыльцы составляет 47,648,2%. Соотношение образовавшихся при проращивании пыльцы на искусственной питательной среде пыльцевых трубок у видов различается. Наибольшее количество средних и длинных пыльцевых трубок, имеющих оплодотворяющую способность, выявлено при прорастании пыльцы вишни обыкновенной -78,3% (табл. 1).
Аномалии роста в виде скручивания двух пыльцевых трубок в одну, изменения направления роста, остановки в росте, образования на концах утолщений булавовидной формы и т.п.
Биология
отмечены в небольшом количестве у всех видов.
Влияние факторов на фертильность пыльцы. На фертильность пыльцы влияет комплекс факторов экзогенной и эндогенной природы. Каждый фактор в отдельности и вся совокупность факторов формируют у растения фенотип, наиболее приспособленный к условиям обитания. В природных условиях оценить действие всего комплекса факторов, влияющих на растения, практически невозможно. Удобнее рассматривать действие каждого фактора в отдельности.
Генетическое происхождение растений. Генетически сбалансированные сорта обыкновенной вишни (сорт Владимирская) со сравнительно стабильно проходящим мейозом по сравнению с гибридами имеют наибольшее количество хорошо окрашивающейся пыльцы. В годы с характерными для Тамбовской области метеоусловиями (2005) фертильность пыльцы, определяемая ацетокарминовым методом, у вишни Владимирской была более 85%. У гибридов обыкновенной вишни процент морфологически нормальной пыльцы значительно меньше (57,7-73,7%). У вишни Владимирской среди общей массы пыльцевых зёрен доминируют пыльцевые зёрна среднего размера; у гибридов много мелкой или очень крупной пыльцы. Генетически сбалансированные генотипы (Владимирская) характеризуются наибольшими показателями прорастания пыльцы (83,3%). У гибридов вишни обыкновенной процент прорастания пыльцы ниже: сорт Харитоновская - 67,8; Фея - 22,0; Интенсивная - 21,8%. У гибридов чаще, чем у вишни Владимирской, встречаются аномалии роста пыльцевых трубок.
Вода. Изучение качества пыльцевых зёрен у исследуемых растений проводили в разных условиях их водообес-печения: 1) контроль - влажность почвы 70-75% ППВ; 2) почвенная засуха -30-45% ППВ; 3) полив - более 85-90% ППВ. Полученные результаты свидетельствуют о влиянии водообеспечения растений на фертильность пыльцы.
При оценке фертильности пыльцы ацетокарминовым методом было обнаружено, что у растений, испытывающих водный стресс (85-90% ППВ и 30-45% ППВ), соотношение пыльцевых зёрен мелких, крупных и средних отличается от такового у контрольных растений. У поливаемых растений чаще, чем в контроле, встречается крупная пыльца. У растений, произрастающих в условиях почвенной засухи (30-45% ППВ), образуются в основном мелкие пыльцевые зёрна, наряду с этим имеется пыльца средних размеров, а крупные пыльцевые зерна редки. Между растениями с разным водообеспечением имеются различия в количестве морфологически сформированных пыльцевых зёрен.
Особенно ухудшает процесс формирования пыльцы дефицит влаги в почве
Таблица 1
Фертильность пыльцы видов Овгавив и М/'сгосвгазиз (проращивание на _____________________искусственной питательной среде)___________________________
Вид Пыльцевые зерна Пыльцевые трубки, %
всего, шт. не проросшие, %+m длинные средние короткие
Cerasus vulgaris -вишня обыкновенная (сорт Владимирская) 524 39,50±2,1 48,15 30,18 21,67
Cerasus fruticosa -вишня степная 488 51,84±2,2 7,50 36,83 55,67
Cerasus avium -черешня (сорт Итальянка) 600 52,43±2,0 19,25 43,22 37,43
Microcerasus tomentosa -вишня войлочная 768 51,30±1,8 22,15 31,33 46,52
Таблица 2
Фертильность пыльцы Cerasus и Microcerasus в связи с разным водообеспечением
Проращивание на
Ацетокарминовый метод искусственной питательной
Условия водообес- печения среде
Вид всего пыльце- вых зёрен, шт. окрашенные, шт. % окрашенных ±m всего пыльце- вых зёрен, шт. пророс- шие, шт. % проросших ±m
Cerasus fruticosa К 509 497 9l,64±0,l 488 235 48,16±2,3
П 735 706 96,05±0,l 624 308 49,36±2,0
ПЗ 611 574 93,94±1,0 579 232 40,0l±2,0
Cerasus vulgaris (Владимирская) К П ПЗ 515 559 542 369 415 337 71,58±2,0 74,24±1,9 62,18±2,1 368 376 320 117 95 44 31,79±2,4 25,2l±2,2 13,l3± 1,9
Cerasus avium (Итальянка) К 511 450 88,06±1,4 600 284 4l,33±2,0
П 436 394 90,3l±1,4 512 246 48,05±2,2
ПЗ 518 414 79,92± 1,8 625 257 41,12±2,0
Microcerasus tomentosa К 459 401 8l,36±1,6 293 93 31 ,l4±2,l
П 380 336 88,42±1,6 313 100 31,94±2,6
ПЗ 328 278 84,76±2,0 303 61 20,13±2,3
Биология
(табл. 2). У неполиваемых растений вишни обыкновенной (Владимирская) и черешни выявлен наименьший процент морфологически сформированной пыльцы по сравнению с контролем (разница между опытом и контролем - 10 и более процентов). У вишни степной и вишни войлочной разница между неполивае-мыми и контрольными растениями несущественная. Избыточное водообеспе-чение незначительно снижает процент фертильной пыльцы, а в некоторых случаях (вишня Владимирская, черешня) увеличивает количество морфологически сформированных пыльцевых зёрен по сравнению с контролем (на 3-6%).
Изучение жизнеспособности пыльцы методом проращивания показало различную реакцию видов на водный режим. При почвенной засухе у исследуемых растений образовавшаяся пыльца в большей по сравнению с контролем степени не прорастает на искусственной питательной среде. Особенно заметна разница между контрольными и не-поливаемыми растениями у вишни обыкновенной (57%) и вишни войлочной (37%). На избыток влаги в почве разные виды реагируют неодинаково. У вишни обыкновенной на 20,5% жизнеспособность пыльцы поливаемых растений ниже, чем в контроле. У остальных видов избыток влаги в почве почти не влияет на жизнеспособность пыльцы.
Температура. Многолетние наблюдения (1997-1999 и 2004-2009 гг.) и учёт температурных данных за годы исследования показали, что температура влияет на процессы формирования и развития пыльцы. Температурные условия ЦЧЗ России чрезвычайно вариабельны. Встречаются годы с резкими колебаниями температуры от максимума к минимуму.
Температурные условия всего года оказывают влияние на растения. Однако наиболее важны эффективные - положительные - температуры. Поэтому основное внимание при выявлении зависимости между показателями пыльцы и температурными данными уделялось данным температуры за апрель -октябрь. В этот период года проходят важные формообразовательные процессы в генеративных органах плодовых растений. Наиболее значимыми для процессов формирования пыльцевых зёрен являются конец июля - октябрь (период формирования археспория, микроспорангиев и спорогенной ткани в пыльниках), вторая половина апреля (процесс мейоза в микроспороцитах; образование микроспор); конец апреля - первая декада мая (цветение).
Анализ данных температуры всех лет исследования показал, что среднемесячные температуры с июля по октябрь в Тамбовской области в основном мало различаются, поэтому почти не влияют на качество пыльцы. Однако замечено, что слишком высокие температуры июля - октября (2007 г.) могут отрицательно повлиять на процес-
сы формирования пыльников. Значения эффективных температур апреля и мая имеют различия в разные годы. На фертильность пыльцы более всего влияет температура весенних месяцев (апрель - май), отрицательно сказываются пониженные температуры этих месяцев, а также их резкие перепады. Так, за период с 1997 по 1999 гг. фертильность пыльцы вишни обыкновенной, определяемая ацетокарминовым методом, различалась незначительно и составила 70-74%. Среднемесячные температуры апреля - начала мая в эти годы различались немного. Достаточно высокие дневные температуры апреля иногда чередовались с небольшими ночными заморозками. Фертильность пыльцы вишни Владимирской в 2004 г. превышала этот показатель в 1997-1999 гг. (83,2%). Жизнеспособность пыльцы вишни Владимирской, определяемая проращиванием, в 19971999 гг. была 30-34%, а в 2004 г. - 78,5%. Температура июля - октября 2003 г., когда закладывались генеративные почки цветков 2004 г., была близка к норме. Температуры апреля были в основном стабильны. Среднесуточные температуры первой декады мая (время цветения) были в пределах нормы (10-15°С). Очевидно, благоприятное сложение температур летне-осенних месяцев 2003 г. и весенних 2004 г. стало причиной нормального прохождения процессов формирования мужского га-метофита и достаточно высокой фертильности пыльцевых зёрен. В 2005 г. фертильность пыльцы вишни обыкновенной превысила значения предыдущих лет (85,3% - ацетокарминовым методом и 83,3% - методом проращивания). Среднемесячная температура апреля 2005 г. была выше таковой 2004 г. на 1,9°С (в пределах многолетней нормы). Пыльца 2009 г. у всех видов в основном была хорошо сформирована, о чём свидетельствуют высокие значения процента окрашенных пыльцевых зёрен. Среднемесячные температуры августа - октября 2008 г. были стабильными, в пределах нормы. Однако в апреле среднемесячная температура была немного ниже нормы (5,8°С), а в начале апреля (02.04.2009) ночью был мороз до -7°С. В начале мая по ночам также было прохладно. Невысокие весенние температуры повлияли на жизнеспособность пыльцы - процент проросшей на питательной среде пыльцы в 2009 г. был ниже по сравнению с прошлыми годами у всех видов (например, 52% у вишни Владимирской). Зимой 2005-2006 гг. наблюдались продолжительные аномально низкие температуры (до -45°С), которые, по данным метеорологов, бывают в Тамбовской области один раз в пятьдесят лет. Низкие температуры зимнего периода также отрицательно сказались на развитии мужского гаметофита вишни и черешни - цветещнййЦнщм было.
УФ-обёНИИННВ в а р це в ы м
облучателем ПРК-4 на расстоянии 85 см от объекта). При облучении пыльцы ультрафиолетом изменяются её характеристики (соотношение количества типичных и с изменённой формой пыльцевых зёрен). Облучение небольшими дозами (5-30-минутные УФ-экспозиции) увеличивает частоту пыльцевых зёрен с изменённой формой. После 60-минутной УФ-экспозиции в некоторых случаях частота нарушений формы пыльцы, наоборот, ниже, чем в контроле и после малых доз УФ-облучения (5-30-минутные экспозиции). По-видимому, это можно объяснить тем, что при непродолжительных воздействиях УФ-лучей (5-30минутные экспозиции) в пыльцевых зёрнах возникают малые мутации, которые в основном касаются формы пыльцевых зёрен. Облучение большими дозами (60минутная УФ-экспозиция) помимо внешней структуры изменяет внутренние характеристики пыльцы. Сильно поражённые пыльцевые зёрна, скорее всего, гибнут. Под влиянием ультрафиолетовых лучей часть реакций обменного характера в пыльце замедляется, что в некоторых случаях отрицательно сказывается на её росте во время проращивания на искусственной питательной среде. Существенное снижение жизнеспособности пыльцы по сравнению с контролем у всех видов наблюдается после 40-минутной УФ-экспозиции. После 60-минутной УФ-экспозиции жизнеспособность пыльцевых зёрен по сравнению с контролем почти не изменяется, что обусловлено гибелью поражённой пыльцы. Погибшая пыльца сморщивается или разрывается, поэтому при подсчёте не учитывается. Темпы и характер изменения показателя жизнеспособности пыльцы после других доз УФ-облучения у разных видов неодинаковые. У вишни обыкновенной после 30-минутной УФ-экспозиции наблюдали повышение жизнеспособности пыльцы по сравнению с контролем на 18%; после 10- и 15-минутной УФ-экспо-зиции жизнеспособность пыльцы понижена. У вишни степной и вишни войлочной при всех вариантах УФ-экспозиции жизнеспособность пыльцы снижается. Черешня характеризуется повышением этого показателя после 30-минутного УФ-облучения на 5%. Остальные УФ-эк-спозиции у черешни снижают жизнеспособность пыльцы. Под влиянием УФ-об-лучения у всех видов в основном увеличивается количество пыльцы, проросшей короткими пыльцевыми трубками, не имеющими оплодотворяющей способности. Однако в некоторых случаях после УФ-облучения процент пыльцы, проросшей короткими трубками, уменьшается по сравнению с контролем (у вишни степной, черешни и вишни войлочной 30-минутная УФ-экспозиция снижает этот показатель по сравнению с контролем на 6-23%).
Электронное облучение (в вакуумной колонне электронного микроскопа ЭМВ-101Л; Е=50 кеУ; 1=100 тА) влия-
Биология
ет на структуру и жизнеспособность пыльцы. Под его влиянием изменяется соотношение количества типичных и с изменённой формой пыльцевых зёрен. Характер изменения структуры пыльцевого зерна зависит от дозы облучения. После больших доз электронного облучения (1- и 5-минутные экспозиции) пыльцевые зёрна значительно деформируются: становятся плохо различимыми борозды, растрескивается оболочка. При проращивании на искусственной питательной среде стенки такой пыльцы разрушаются, и её содержимое выходит наружу, не образуя пыльцевых трубок. Облучение небольшими дозами (5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 сек.) также приводит к деформации пыльцевых зёрен. Изменения касаются в основном внутреннего содержимого пыльцевого зерна. Электронное облучение после 1- и 5-минутных экспозиций снижает жизнеспособность пыльцевых зёрен по сравнению с контролем в среднем на 60%. У вишни обыкновенной и вишни степной после 15 сек. облучения жиз-
неспособность пыльцы по сравнению с контролем повышается на 3-4,5%. Остальные варианты облучения пыльцы этих видов снижают её жизнеспособность. У черешни и вишни войлочной все варианты электронного облучения понижают процент проросшей на питательной среде пыльцы. Однако после 15 сек. облучения у пыльцы черешни и вишни войлочной этот показатель снижается незначительно. Под влиянием электронного облучения в большинстве случаев увеличивается процент пыльцевых зёрен, проросших короткими пыльцевыми трубками.
Выводы
1. Растения видов Cerasus vulgaris, C. fruticosa, C. avium и Microcerasus tomentosa имеют достаточно высокий процент фертильных (морфологически сформированных и жизнеспособных) пыльцевых зёрен. Фертильность пыльцы зависит от происхождения растений.
2. На фертильность пыльцы видов Cerasus vulgaris, C. fruticosa, C. avium и Microcerasus tomentosa влияют факто-
ры: температура (особенно во время весенних месяцев - апрель, май, - когда происходят процессы развития мужского гаметофита); водный режим (водный дефицит снижает фертильность пыльцы); УФ- и электронное облучение (изменяют морфологию и фертильность пыльцы, что зависит от происхождения растений и дозы облучения).
Рекомендации
1. Для повышения устойчивости генофонда сортов культурных растений к неблагоприятным факторам рекомендуется повторное введение в их геном «полезных» генов от дикорастущих предков, характеризующихся высокими показателями фертильности пыльцы.
2. Фертильность пыльцы, используемой в селекционной работе, можно повысить разными способами: выращиванием растений-доноров пыльцы в условиях оптимального водообеспечения (70-75% ППВ); УФ-облучением пыльцы (жизнеспособность пыльцы у вишни обыкновенной и черешни повышается после 30-минутной УФ-экспозиции).
Литература
1. Волошина А. А. Жизнеспособность пыльцы черешни, вишни и их гибридов // Бюл. гос. Никитск. бот. сада. 1970. Вып. 1. № 12. С. 18-20.
2. Грибановская Т. В. Биологические особенности пыльцы некоторых плодовых культур // М-лы Межд. науч.-практ. конф. молодых учёных. Мичуринск, 2000. Ч. 1. С. 20-25.
3. Дутова Л. И., Скрипка Е. А., Ульяновская Е. В. Избирательность опыления и оплодотворения вишни различными видами рода Cerasus // М-лы конф. по совершенствованию сортимента и технологии возделывания косточковых культур. Орёл, 1998. С. 53-55.
4. Рассветаева Э. Г. Характеристика особенностей пыльцевой фертильности косточковых // М-лы Всес. совещ. «Цито-лого-эмбриологические и генетико-биохимические основы опыления и оплодотворения растений». Киев, 1982. С. 117-119.
5. Романова Н. П., Шелаботин Г. П., Леонченко В. Г. [и др.]. Методические рекомендации по применению цитологических методов в плодоводстве. М., 1988. 52 с.
6. Цвелев Н. Н. Определитель сосудистых растений северо-западной России (Ленинградская, Псковская и Новгородская области). СПб., 2000. С. 460-461.
7. Чигуряева А. А., Колоскова И. Г., Дайковский В. С. Учебно-методическое пособие по палинологии. Саратов : СГУ, 1987. 127 с.
8. Furucawa Y., Bucovac M. J. Embryo sac development in sour cherry during the pollination period as related to fruit set // Hort Sci. 1989. Vol. 24. № 6. P. 1005-1008.
