CC BY
1УДК 778.33 : 581.47 : 581.48
Инструментальный метод изучения качества плодов и семян дикоросов и интродуцентов
Ткаченко К.Г.
Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, Ktkachenko@binran. ru
Аннотация. Развитие новых технологий и современных аппаратов для комплексного изучения биологических объектов, в частности плодов и семян, позволяет оперативно оценивать их качество. В данной работе рассмотрены особенности и современные перспективы применения неинвазионного (недеструктивного) метода микрофокусной рентгенографии для оценки качества репродуктивных диаспор с использованием модернизованной установки ПРДУ (Переносная Рентгена-Диагностическая Установка). Этот аппарат позволяет оперативно выявлять выполненные (полнозёрные) и щуплые (пустые) плоды и семена, оценивать сформированность внутренних структур, обнаруживать возможные скрытые дефекты эндосперма и/или зародыша, наличие в семенах личинок вредителей, поражения эндосперма грибами и разрушения его микроорганизмами. Обобщены результаты исследования репродуктивных диаспор некоторых дикорастущих и интродуцированных в Ботанический сад Петра Великого БИН РАН древесных, кустарниковых и травянистых видов растений. Показано, что семена ряда видов таких родов как Larix, Malus, Picea, Pinus, Rosa в значительной степени (от 15-20 до 50 %) поражаются личинками семяедов (виды из семейства Chalcidoidea, надсемейство подотряда Apocrita отряда Hymenoptera). Основная же масса интродуцированных видов растений в условиях Ботанического сада Петра Великого формируют полноценные, жизнеспособные плоды и семена, которые могут быть использованы для посевов, и рассылки в разные ботанические учреждения.
Ключевые слова: рентгеновские аппараты, рентгеноскопия репродуктивных диаспор, дикорастущие виды, культивируемые виды, насекомые-вредители, семяеды, Ботанический сад Петра Великого.
Instrumental method of studying the quality of fruits and seeds of wild and introduced plants
Tkachenko K.G.
Komarov Botanical Institute RAS, St. Petersburg, Russia Ktkachenko@binran. ru
Summary. Development of new technologies and modern devices for complex study of biological objects, in particular fruits and seeds, allows to promptly evaluate reproductive diaspores of plants. This paper considers features and modern prospects of application of non-invasive (non-destructive) method of microfocus radiography for evaluation of quality of fruits and seeds using modernized PRDU (Portable X-ray Diagnostic Unit) installation. This device allows to promptly identify full-grained and shrunken (empty) fruits and seeds, evaluate formation of internal structures, detect possible hidden defects of endosperm and/or embryo, presence of pest larvae in seeds, damage of endosperm by fungi and its destruction by microorganisms. The results of study of reproductive diaspores of some wild and introduced to Peter the Great Botanical Garden of BIN RAS woody, shrub and herbaceous plant species are summarized. It has been shown that fruits and seeds of a number of species of the following genera Larix, Malus, Picea, Pinus, Rosa are significantly (from 15-20 to 50%) affected by seed-eating insect larvae (species from the Chalcidoidea family, superfamily of the suborder Stalk-bellied of the Hymenoptera order). A significant number of plant species in the conditions of the Peter the Great Botanical Garden form full-fledged, viable fruits and seeds.
Key words: X-ray machines, fluoroscopy of reproductive diaspores, wild species, cultivated species, insect pests, seed-eating insects, Peter the Great Botanical Garden.
Введение. С момента открытия В.К. Рёнтгеном (Wilhelm Conrad Röntgen) Х-лучей прошло почти 125 лет. Развитие науки и техники в области применения рентгеновского излечения позволило широко применять это излучение в медицине и биологии. Рентгеновский метод анализа внутренней структуры непрозрачных объектов основан на свойстве рентгеновских лучей проходить сквозь объекты, частично поглощаясь его материалом, тем в большей степени, чем плотнее этот материал. Внутренние детали объекта различаются по плотности и отделены друг от друга сколь угодно тонкими граничными пространствами, пропускающими рентгеновские лучи. В результате, прошедшие сквозь объект лучи, попадая на рентгеночувствительную поверхность, образуют на ней теневой «портрет» его внутренней структуры. Таким образом, могут быть выявлены размеры и плотность (следовательно, их
полноценность или дефектность) внутренних деталей объекта, наличие и размеры посторонних включений или полостей. Как показала практика, одним из наиболее перспективных, и абсолютно недеструктивным методом, является метод рентгенографии семян. На примере использования модернизированного рентгенографического анализа семян, показано, что в настоящее время можно оперативно проверять качество репродуктивных диаспор (плодов и семян) как интродуцированных, так и дикорастущих растений, оценивать степень их выполненности, выявлять поражения вредителями и отбирать из партии семян лишь выполненные, полноценные, которые можно использовать для посева или закладки на хранение, либо наоборот - из образца (партии) изымать пустые, повреждённые семена [1-5].
Оценка качества, развитости внутренних структур, наличие зародыша, выполненности и жизнеспособности семян (семянки, орешки, мерикарпии, зерновки, крылатки, эремы, пиренарии, т.е. разнообразные репродуктивные диасп0ры растений, для удобства называем семенами) - важные параметры, которые необходимо принимать во внимание при изучении латентного периода, оценки успешности интродукции растений. Для репродуктивных диаспор полезных и хозяйственно ценных видов были разработаны основные приёмы сохранения и повышения их жизнеспособности [6]. В настоящее время всё большее внимание начинают уделять охране и воспроизводству редких и исчезающих видов растений, а также перспективным полезным (декоративным, лекарственным, кормовым, эфирномасличным, техническим) видам растений. В связи с этим актуальность приобретают исследования, направленные на разностороннее изучение особенностей латентного периода, оценке исходного качества плодов и семян [5, 7]. Жизнеспособность репродуктивных диаспор часто зависит от места произрастания в пределах ареала, экологических факторов среды обитания, наличия насекомых-опылителей и частоты посещений их цветков, климатических и погодных условий в период цветения растений и созревания плодов, обеспечения материнских растений питательными элементами и обеспечения водой в период вегетации [8-11]. Качество и жизнеспособность сформировавшихся плодов и семян являются важными критериями, которые необходимо учитывать, как перед закладкой их на краткосрочное и/или длительное хранение, так и перед выращиванием из них растений. Основными показателями жизнеспособности семян являются процент их прорастания (всхожесть), параметр «силы семян» и энергия прорастания [6]. В семеноводстве разных культур важным фактором, определяющим качество семян, является превегетация материнских особей [12, 13].
Как показала практика, одним из наиболее перспективных, и абсолютно недеструктивным методом, стал метод рентгенографии семян. Была показана эффективность применения рентгеноскопии для оценки качества крупных плодов и семян с плотными покровами (Amygdalus, Cerasus, Hordeum, Malus, Phaseolus, Pinus, Prunus, Quercus, Triticum, а также Helianthus annuus L., Cucumis sativus L., Cucurbita pepo L.) [14]. Применение этого метода позволяет отбирать для посева только полноценные выполненные семена (IV и V классов) с нормально развитым зародышем (отбраковывать пустые и щуплые семена; 0 и I классов) без повреждений вредителями и ежегодно следить за качеством образующихся семян.
Цель настоящей работы - оценка перспектив использования современных недеструктивных методов анализа плодов и семян (с помощью микрофокусной рентгенографии) как дикорастущих, так и интродуцированных видов растений.
Материалом для исследований явились плоды и семена, собранные как во время экспедиционных выездов, так и от интродуцированных растений в Ботанический сад Петра Великого БИН РАРН.
Для проведения рентгеноскопического анализа плодов и семян могут быть использованы аппараты «Электроника-25», «Пардус» и передвижная рентгенодефектоскопическая установка ПРДУ-2. В основе их лежит микрофокусный мягколучевой рентгеновский излучатель на базе рентгеновской трубки BC-1Cu.B работе был применён метод микрофокусной рентгенографии, разработанный в Санкт-Петербургском Электротехническом университете («ЛЭТИ»). Первоначально (10-12 лет назад) рентгенографический анализ семян проводили на передвижной рентгенодиагностической установке (ПРДУ), которая предназначена для оперативного контроля качества семян зерновых и овощных культур. Диапазон изменения анодного напряжения — 5...50 кВ, диапазон изменения анодного тока — 20...200 мкА. Для исследования образцов был выбран следующий режим: напряжение, подаваемое на трубку — 17 кВ; ток трубки — 70 мкА; экспозиция — 2 секунды. Приёмник излучения — специальная пластина с фотостимулированным люминофором, накапливающим часть поглощённой в нём энергии рентгеновского излучения, а также под действием лазера, испускающим люминесцентное излучение, интенсивность которого пропорциональна поглощённой энергии. Сканирование пластины
выполняется с помощью сканера DIGORA PCT. Полученное с помощью сканера изображение передаётся на компьютер, что позволяет производить последующую обработку изображения [15-18].
Последние несколько лет рентгеноскопическая съёмка плодов и семян осуществляется уже на модернизированной установке ПРДУ-2, в которой приёмник излучения напрямую связан с компьютером, и необходимость в использовании сканера и специальных пластин уже отпала.
Результаты исследований и их обсуждение. На примере использования модернизированного рентгенографического анализа семян [4, 9, 19-22], показано, что в настоящее время можно оперативно проверять качество репродуктивных диаспор, оценивать степень их выполненности, выявлять поражения вредителями и отбирать из партии семян полноценные, которые можно использовать для посева или закладки на длительное хранение. Этот метод выявляет и микроскопические дефекты в виде трещин в эндосперме, присутствие личинок насекомых на разных стадиях их развития [23-25].
Собирая плоды и семена на коллекциях живых растений, и подготавливая их для включения в Обменный перечень (Index seminum или Delectus) нашего Ботанического сада, всегда следует знать их исходное качество. Очень часто, при внешнем относительно хорошем состоянии семян, при рентгеноскопии выясняется, что в партии присутствуют и слаборазвитые, и невыполненные, и/или поражённые личинками вредителей.
Идентификация групп классов по степени развития эндосперма. На рентгеновских снимках семян хорошо просматривается эндосперм - степень его развития, повреждение поверхности. Зародыши же этих семян на снимках, чаще всего, практически не различимы. Семена принято различать по группам степени развития эндосперма, по заполнению им объёма полости семени на пять классов: 0 - пустые семена; I - полость эндосперма пустая; II - заполнено менее 1/2 полости семени; III - заполнено от '/г до % полости семена; IV - заполнено более % полости, по периферии остаётся незаполненное пространство; V - полость заполнена целиком, эндосперм плотно прилегает к семенной кожуре. Например, на снимках видно, что при внешнем одинаковом виде все семена Daphne mezereum, имеют «нормальный» вид, однако на рентгенограмме видно, что далеко не все из них полноценные, хорошо выполненные. У Exochorda serratifolia вроде бы хорошо сформированные плоды и семена, однако на рентгенограмме видно, что все семена пустые, нулевого класса. Следовательно, такие семена необходимо выбраковывать, они не должны быть включены в «Обменный перечень...» (Index seminum или Delectus). Однако для подведения итогов интродукции отмечено, что в условиях Северо-Запада РФ данный вид уже на протяжении некоторого времени не только цветёт, но уже и плодоносит. Тем ни менее, нам теперь понятна одна из возможных причин несхожести семян собственной репродукции -их пустозёрность.
Отчёт об обследовании каждого образца семян обязательно должен включать всю информацию, необходимую для полной идентификации каждой пробы. Следовательно, каждый полученный цифровой файл рентгеновского изображения объекта обследования должен быть назван видовым эпитетом растения (по возможности - файл назвать латинским именем вида, добавив год, номер партии и другие ключевые параметры, позволяющие быстро понять, что за объект был снят, когда и т.д.). Для базы изображений, при возможности, нужно добавлять фотографические (цифровые) изображения плодов и семян с указанием размеров (с сантиметровой линейкой, или нужно делать снимки диаспор на миллиметровой бумаге).
Заключение. Внедрение рентгенографической техники в семенные лаборатории актуально. Быстро, недеструктивное определение качества семян возможно с применением именно этого оборудования. В каждом ботаническом саду необходимо формировать банк данных изображений плодов и семян. При этом в нём желательно собирать не только сами рентгенографические снимки, сделанные в разные годы, но и фотографии и сканы самих этих объектов; это нужно в том числе и для сравнения плодов по годам урожая. Особенно выделять случаи выявления вредителей (желательно их отлавливать и определять видовую принадлежность), аномалий внутреннего строения (полиэмбрионию, например, поражение грибами).
На протяжении почти 12 лет в семенной лаборатории Ботанического сада Петра Великого БИН РАН продолжается формирование банка данных рентгенографических, сканированных и цифровых изображений плодов и семян, которые были объектами наших исследований. При этом собираются как рентгенографические, так и цифровые фотографии, и сканы живого материала (плодов и семян).
Благодарности. Выражаю слова искренней благодарности всем моим соавторам и коллегам -Г.А. Фирсову, А.В. Волчанской - БИН РАН, Е.Н. Староверову, А.Ю. Грязнову - ЛЭТИ, и многим другим, с которыми на протяжении более 10 лет проводим сбор и анализ материала (плодов и семян многих видов растений).
Работа выполнена в рамках госзадания по плановой теме «История создания, состояние, потенциал развития живых коллекций растений Ботанического сада Петра Великого БИН РАН» (124020100075-2).
Список литературы:
1. Методика рентгенографии в земледелии и растениеводстве / Рос. акад. с.-х. наук. Агрофиз. науч.-исслед. ин-т; Сост.: М.В. Архипов, Д.И. Алексеева, Н.Ф. Батыгин и др. / Под ред. М.В. Архипова. Москва, 2001. 102 с.
2. Архипов М.В., Потрахов Н.Н. Микрофокусная рентгенография растений. СПб.: Технолит, 2008. 194 с.
3. Архипов М.В., Демьянчук А.М., Гусакова Л.П., Великанов Л.П., Алфёрова Д.В. Рентгенография растений при решении задач семеноведения и семеноводства // Известия СПбГАУ. 2010. № 19. С. 36-40.
4. Грязнов А.Ю., Староверов Н.Е., Жамова К.К., Холопова Е.Д., Ткаченко К.Г. Исследование качества репродуктивных диаспор видов рода Яблоня (Malus Mill.) с помощью микрофокусной рентгенографии // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 55. С. 49-53.
5. Ткаченко К.Г. Комплементарные методы изучения ресурсных видов растений в полевых и стационарных условиях. // Полевой журнал биолога, 2021. Т. 3. №1. С. 74-86. DOI: 10.18413/2658-34532021-3-1-74-86
6. Ишмуратова М.М., Ткаченко К.Г. Семена травянистых растений: особенности латентного периода, использование в интродукции и размножении in vitro. Уфа: Гилем, 2009. 116 с.
7. Ткаченко К.Г. Взаимодополняющие методы изучения и сохранения редких и полезных растений в условиях ex situ и in situ // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия Естественные науки. 2010. № 9 (80), Вып. 11. С. 25-32.
8. Ткаченко К.Г., Фирсов Г.А., Васильев Н.П., Волчанская А.В. Особенности формирования и качество плодов видов рода Malus Mill., интродуцированных в Ботаническом саду Петра Великого // Вестник ВГУ, Серия: Химия. Биология. Фармация, 2015, № 1. С. 104-109.
9. Ткаченко К.Г. Латентный период некоторых видов рода Malus, интродуцированных в Ботанический сад Петра Великого // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2017. Т. 178, Вып. 2. С. 25—32.
10. Ткаченко К.Г., Комжа А.Л., Грязнов А.Ю., Староверов Н.Е. Влияние сроков хранения на всхожесть и контроль качества семян и плодов некоторых видов травянистых растений // Известия Горского государственного аграрного университета, 2016. №53 (3). С. 153-164.
11. Ткаченко К.Г., Тимченко Н.А., Щербакова О.Н., Бобенко В.Ф., Староверов Н.Е., Грязнов А.Ю., Холопова Е.Д. Качество семян Maackia amurensis Rupr. (Leguminosae) и условия предпосевной подготовки // Сибирский лесной журнал. 2020. № 1. С. 47-57.
12. Гуревич А.С. Преадаптация растений // Известия КГТУ. Калининград, 2002. № 2. С. 177-186.
13. Гуревич А.С. Преадаптация и морфофизиологические процессы растений. Lambert Academic Publishing. Saarbrucken, 2012. 409 р.
14. Смирнова Н.Г. Рентгенографическое изучение семян лиственных древесных растений. М.: Наука, 1978. 243 с.
15. Староверов Н. Е., Грязнов А. Ю., Жамова К. К., Ткаченко К. Г., Фирсов Г. А. Применение метода микрофокусной рентгенографии для контроля качества плодов и семян репродуктивных диаспор // Биотехносфера. 2015. № 6 (42). С. 16-19.
16. Грязнов А.Ю., Староверов Н.Е., Баталов К.С., Ткаченко К.Г. Применение метода микрофокусной рентгенографии для контроля качества семян // Плодоводство и виноградарство юга России, 2017. Т. 48, № 6. С. 46-55.
18. Ткаченко К.Г., Староверов Н.Е., Грязнов А.Ю. Рентгенографическое изучение качества плодов и семян // Hortus botanicus. 2018. Т. 13. С. 52-66.
19. Ткаченко К.Г., Капелян А.И., Грязнов А.Ю., Староверов Н.Е. Качество репродуктивных диаспор Rosa rugosa Thunb., интродуцированных в Ботаническом саду Петра Великого // Бюлл. БСИ ДВО РАН [Электронный ресурс]: науч. журн. / Ботан. сад-институт ДВО РАН. Владивосток, 2015, Вып. 13. C. 41-48. http://botsad.ru/media/cms/3205/41-48.pdf
20. Фирсов Г.А., Волчанская А.В., Ткаченко К.Г. Ель Глена (Picea glehnii (F. Schmidt) Mast., Pinaceae) в Санкт-Петербурге // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 11. Естественные науки. 2015. № 2 (12). С. 27-39.
21. Ткаченко К.Г., Фирсов Г.А., Грязнов А.Ю., Староверов Н.Е. Abies semenovii B. Fedtsch. в Ботаническом саду Петра Великого // Hortus bot. 2016. Т. 11. С. 111-119. URL: http://hb.karelia.ru/journal/article.php?id=2783. DOI: 10.15393/j4.art.2016.2783
22. Ткаченко К.Г., Фирсов Г.А., Яндовка Л.Ф., Волчанская А.В., Староверов Н.Е., Грязнов А.Ю. Груша зангезургская (Pyrus zangezura, Rosaceae) в Санкт-Петербурге. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2019. Т. 180. № 3. С. 12-18. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-3-12-18
23. Ткаченко К.Г., Фирсов Г.А., Волчанская А.В. Качество семян Aristolochia macrophylla Lam. и A. manshuriensis Kom. в Санкт-Петербурге // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2020. Т. 181. № 2. С. 14-22. https://doi.org/10.30901/2227-8834-2020-2-14-22
24. Фирсов Г.А., Волчанская А.В., Ткаченко К.Г., Староверов Н. Е., Грязнов А. Ю. Айва обыкновенная (Cydonia oblonga, Rosaceae) в Ботаническом саду Петра Великого // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2016. Т. 177, Вып. 4. С. 28-36.
25. Андросова Д.Н., Данилова Н.С., Ткаченко К.Г., Староверов Н.Е., Грязнов А.Ю. Выполненность, всхожесть и жизнеспособность плодов и семян редких растении Якутии // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2023. Т.184, № 4. С.12-20. DOI: 10.30901/2227-8834-20234-12-20
