CC BY
10
УДК 581.331.2 + 582.542.1
ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПЫЛЫ1Ы У FESTUCA RUBRA С, F PRÊ4 TENSIS HUDS.. F. A R UN DINA CEA SCHREB., F. POLESICA ZAPAL..
F VALES/ACA GAUND И F. RUPICOLA H HUFF.
A.X. Миндубаева, A.M. Меренов, A.C. Кашин
Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83; e-mail: [email protected]
Явление апомиксиса - образования семян у растений без оплодотворения - давно пользуется повышенным вниманием исследователей. Несмотря на более чем 100-летнюю историю изучения апомиксиса, вопросы о широте и степени распространения этого явления у покрытосеменных растений и о перспективе создания стабильно апомиктичных форм важнейших культурных растений остаются открытыми. Размножающиеся апо-миктнчно растения обнаружены у представителен многих семейств и, прежде всего, у наиболее зволюиионно продвинутых Роасеас и Asteraceae. Известно, что такие растения дают более однородное потомство, способное сохранять гетерозисный эффект во многих поколениях. С помощью апомиксиса закрепляется целый ряд ценных свойств, что невозможно реализовать при половом размножении вследствие расщепления гибридов. В связи с этим использование апомиксиса открывает большие возможности в решении ряда селекционных задач, повышении урожайности и улучшении многих хозяйственных признаков. Однако способность к такому размножению отсутствует у важнейших культурных растений, что делает вопрос об экспериментальном получении устойчивого аиомиктнчного размножения у таких растений очень актуальным (Пегров, 1979; Asker, 1979; Kindiger et al., 1996; Grossnikiaus et а!.. 2001; 3rd International..., 2007).
Исследование биологии злаков, в частности, особенностей их семенною размножения, имеет большое теоретическое и практическое значение, поскольку к злакам относятся все основные хлебные и многие кормовые растения. Знание закономерностей проявления апомиксиса в этом семействе может оказаться полезным для поисков путей и способов использования различных форм апомиксиса в селекции и семеноводстве (Хохлов, 1967; Savidan, 1995, 2001; Vielle Calzada et al., 1996).
Целью настоящего исследования было выявление по состоянию мужской генеративной сферы вероятности апомиксиса у растений ряда видов овсяниц (Festuca L.) семейства Роасеае. Изучение видов этого рода интересно как в прикладном, так и теоретическом аспектах. Некоторые виды
овсяниц давно введены в культуру как кормовые и газонные растения. Другие виды могут быть использованы дня закрепления подвижных субстратов (разбитых песков, придорожных насыпей) и восстановления на них растительного покрова. Немало видов являются эдификаторами степных, высокогорных и многих других растительных группировок. Поэтому знание способа семенного размножения растений в популяциях этих видов необходимо для правильного планирования и ведения селекционно-генетических работ (Шишкинская и др., 2004).
По некоторым сведениям для овсяниц характерна значительная внутривидовая вариабельность цитологических и эмбриологических показателей (Mariany et al., 2000; Шишкинская, Юдакова, 2001, 2003) и эмбриологические признаки апомиксиса, свидетельствующие о склонности растений данного рода к апомиктичному способу размножения (Шишкинская, Бородько, 1987; Шишкинская и др., 2004; Кашин и др., 2008). В списке С.С. Хохлова с соавт. (1978) в качестве апомиктичных указано три вида рода, а именно F. arundinacea, F. pratensis и F. rubra. Для них указана нерегулярная форма апомиксиса - споровая апозиготия.
Материал и методика
В качестве материала использовали растения естественных популяций F. pratensis Huds. (325)2 и F. valesiaca Gaud. (408) из Красноку гского района (КрК) Саратовской области, F. pratensis из Аткарского района (Атк) Саратовской области и из Ростовской области (426 РСт), F. arundinacea Schreb. (327) и F. rubra L. (330) из Озинского района (Оз) Саратовской области, F. polesica Zapal. из Волгоградской области (427 В Л г), F valesiaca (413) из Воскресенского района (ВСк), F. valesiaca (457) и F. rupicola Heuff. (458) из Ал.-Гайского района (АлГ)» F- rupicola (474) и F rubra ssp. rubra из Татищевского района (Таг) Саратовской области, а также сортов и популяций F rubra. выращенных на территории Ботанического сада СГУ: 1) сортов ssp. rubra A reta, Выдубецкая славная, ГБС 202, Salaspils, Tamara, Frida, Свердловская, ГБС-202, Franklin. Jasper, Киевлянка. Vitori II, ГБС-116, 2) сортопопуляции ssp arenaria, 3) сорта ssp. commutata Bargreen. Выбор объектов исследования производили случайным образом. Число исследованных растений каждой формы в выборке варьировало от 15 до 30. Соцветия фиксировали ацегоалкоголем (I : 3) в период массового цветения на стадии перед выбрасыванием пыльников. Часть сорто- и видопопуляиий исследовали в течение 2-х лет.
1 Здесь и далее при упоминании популяций в скобках даны их условные но-
мера по полевому журналу и сокращение названия района или региона.
Для анализа пыльцы использовали методику приготовления временных глицерин-желатиновых препаратов. Брали пыльники нижних цветков из колосков, расположенных в центральной части соцветия. Пыльцу окрашивали ацетокармином и заключали в глицерин-желатиновую смесь. Подсчет разных морфологических типов проводили в ходе анализа выборки из 300 пыльцевых зерен на микроскопе Axiostar-plus (Karl Zeiss). Статистический анализ производили с использованием компьютерной программы Excel.
Результаты и их обсуждение
У растений исследованных сортов и популяций по степени дефектности пыльцу разделили на пять групп: 1) нормальные пыльцевые зерна (ПЗ), т.е. окрашенные, почти изометрической формы; 2) дефектные ПЗ. остановившиеся на ранних стадиях развития; 3) дефектные ПЗ с признаками плазмолиза; 4) дефектные ПЗ с дегенерирующим содержимым: 5) дефектные ПЗ полностью пустые (Крайнов и др., 2005 ).
Ранее (Куприянов, 1989) экспериментально установлено, что пороговым уровнем степени дефектности пыльцы (СДП), косвенно указывающим на возможность у образца апомиксиса. является СДП выше 11,7%. В пределах исследованных нами 30 сорго- и видообразцов F. rubra. F. pratensis. F. arundinacea, F. poles ica. F. valesiaca и F. tupie ola СД11 в 2006-2007 гг. варьировала в широких пределах (3,7-69,7%). При этом СДП, ниже пороговой величины 11.7%, отмечена у растений популяции F. rubra (330 Оз). F. arundinacea (327 Оз), F. pratensis (Атк), F. rupicola (458 АлГ) и 6 сорто-и видообразцов F. rubra-, сорта Salaspils, Выдубецкая славная, Areta, Jasper. Frida и видообразец ssp. arenaria. СДП, незначительно превышающая порот 11,7%, была обнаружена у 3 сортов F. rubra: ГБС 116. ГБС 202 и Vito-п II; и 4 видов: F. pratensis (426 PC т), F. polesica (All ВЛг), F. valesiaca (457 АлГ) и F. rupicola (474 Тат). Средний уровень СДП (21,9-39.2%) отмечен у растений F. pratensis (325 КрК), F. valesiaca (413 ВСк) и у 4 сортов F. rubra: Киевлянка, Tamara, Bargreen и Franklin. Наконец, высокая СДП (48,3-69.7%) обнаружена у растений F. rubra сортов Ирбитская и Свердловская. а также у видообразца, изъятого из популяции Татишсвского района (табл. Г).
При этом среди дефектных в пыльниках растений фактически всех сорто- и видообразцов максимальную долю составляют дегенерирующие пыльцевые зёрна (см. табл. 1).
При сравнительном исследовании СДП в одних и тех же популяциях в течение двух лет выявлено отсутствие достоверных различий в популяциях F. valesiaca (413 ВСк) (около 40%) и F. pratensis (426 РСт) (около
Таблица /. Качество пыльцы п сортонопуляциях и видоооразцах Festuca L.
и 2006-2007 гг.
№ п/п - - Сортопопуляци я или видообразец Дефектные пыльцевые зерна,%
всего остановившиеся н развитии гшазмоли-знрованные дегенерирующие j пустые |
2006 г.
1 Salaspils 9.00 ± 0,96 2,38 ± 0,33 0.37 ± 0.07 4,35 ± 0,57 1.90*0,30
2 Tamara 27.63 ± 2,74 3.58 ± 0.46 1,49 ±0.25 20.60 ±2,18 1,85 ±0,21
3 -С: ЕГ ГБС 116 14,34 ± 1,85 1.90 ±0,38 0.28 ± 0,09 10.97 ± 1,63 1,09 ±0,21,
4 ГБС 202 17.52 -Ь 2,52 2,18 ±0.37 0.02 ± 0.02 14,69 ±2,23 0,62±0,ю!
5 Выдубецкая славная 4.19 ±0,76 0,43 ±0,10 0 3,38 ± 0.64 j 0,38 + 0,08;
6 Areta 4,03 ± 0,45 0,91 ±0,15 0,09 ± 0,04 2.06 + 0,30 0,98 ± 0,17 j
7 Vitori II 13.81 ± 1.18 3,97 ± 0,42 1,61 ±0,28 6,77 ± 0,68 1,44 ±0,14
8 ssp. arenaria 7,35 ± 0.76 2,02 ± 0,20 0.37 ± 0,07 3,06 ± 0,33 1,96 ± 0,39
9 Свердловская 69.74 = 2.65 14,90 ±0.94 2.32 ± 0,28 51,62 ± 1,89 0,90 ±0,12
10 Jasper 8,32 ± 0,67 1,80 ±0,23 0,71 ±0.11 4,85 ±0,41 0,95 ± 0,37
11 ssp. rubra 65.93 ± 3,07 11.33 ±0.90 1.00 ± 0,19 53.25 ± 2.49 0,37 ± 0.08
12 Bargreen 33,60 ± 2,65 4,61 ± 0,34 0.74 ±0,13 27,87 ± 2,37 0,96 ±0,16,
13 Franklin 39,21 ± 3.69 5,24 ± 0.62 1.30 ±0.23 31,85 ±3.16 1,34 ±0,22
14 Киевлянка 23.48 ± 2.97 4.17 ±0.67 0,74 ±0,16 16,25 ± 2,36 2,30 ± 0.45
15 Ирбитская 48,34 ± 4,34 7,91 ± 0,94 2,03 ± 0.37 37,24 ± 3,63 1,17 ± 0,17
16 Frida 11.45 ± 1.24 2,58 ± 0,25 1.92 ±0,37 6.98 ± 0.84 0,00 ± 0,00 (
330 rubra (Оз) 3.71 ± 0,41 0,33 ±0,12 0.14 ±0.04 2,40 ±0,31 0,83 ±0,11
pratensis (Атк) 9,86 ± 0.75 0.97 ±0,17 3,64 ±0,61 4,92 ± 0,53 0,32 ± 0,07
325 pratensis (КрК) 21,94 ±2,00 1.57 ±0,32 0,92 ± 0,14 8,65 ± 1,05 10,78 ±2,08
327 Arunäinacea (Оз) 4,42 ±0,31 0,24 ± 0,07 0,07 ± 0,02 3.56 ± 0.29 0,53 а: 0.1 1
2007 г.
413 valesiaca (ВСк) 38.84 ± 3,00 1,15 ± 0,25 10,34 ±0.09 34,32 ± 2,94 3,03 ±1,25
426 pratensis (РСт) 14,17 ± 2,18 1,49 ±0,47 0,18 ±0,05 3,29 ± 0,50 9,25 ± 2.29
427 polesica (ВЛГ) 13.30 х 1,29 0,68-0,16 4,43 ± 0,47 8,07 ± 1,06 0,17 ±0,05
457 vales iaca (Ал Г) 14,45 ± 1,97 3,31 ±0,68 1,01 ±0,20 7,92 ± 0,99 2,18 ±0,45
458 rupicoia (АлГ) 6,33 ± 0,43 1,88 ± 0,23 0,40 ± 0,08 2,98±0,27 1,09 ±0,12
474 | rupicoia Пат) 14.83±1.47 L14±0.19 0,42±0,09 8.64±0.97 4.581-0.83
13%). В то же время в другой популяции /Г \4ilesiaca (457) из Ал.-Райского района СДП в 2008 г. была достоверно ниже, чем в 2007 г. (7.5 НО,67 и 14,45^1,97%, соответственно), а в популяции /\ ро\е$1са (427 ВЛг), напро-
тив, в 2008 г. СДП была выше в пять раз по сравнению с 2007 г. (67,21± 1,90 и 13,30±1,29% соответственно). Мри этом среди дефектных в пыльниках растений всех 4 видообразцов максимальную долю также составили дегенерирующие пыльцевые зёрна (табл. 2). Таким образом, одни популяции, причём как с высоким уровнем СДП (F. valesiaca (413 ВСк)), гак и с уровнем СДП, близким к пограничной величине (F pratensis (426 РСт)) демонстрировали стабильный уровень дефектности пьшьцы, а другие - значительную динамику этого показателя по годам.
Таблица 2. Качество пыльцы у растений F. valesiaca, F. pratensis и F Polesica
в 2008 г.
JVO популяции Сортопопуляция или вилообразен Дефектные пыльцевые зерна,%
всего остановившиеся в развитии плазмоли-зированные дегенерирующие пустые
413 valesiaca (ВСк) 39.70±1,64 1.83±0,26 2?14±0,21 29,80± 1,30 6.33±0,38
426 pratensis (РСт) 12.82^2,35 1.73*0,44 1,47±0,34 6.44±1.94 3.33±0.44
427 polesica (ВЛГ) 67.21 ±1.90 1.44±0,35 0,18±0.03 61,73±2,01 3.76±0,84
457 valesiaca (АлГ) 7,51 ±0,67 0.88±0.12 0,15±0,07 6,06±0.55 0,37±0.09
Максимальная доля растений с уровнем СДП выше 11,7% в 2006-
2007 гг. отмечена у растений F. valesiaca (413) из Воскресенского района (100%), F. rubra, а именно у сортообразцов Свердловская (96,7%), Ирбит-ская (84.6%), Bargreen (83,3%), а также в выборке растений из естественной популяции Татишевского района (92,3%). Высока доля таких растений была у вилообразна F. pratensis (325 КрК) (63,3%), F. pratensis (426 РСт) (46,6%), F polesica (427 ВЛг) (50,0%), F valesiaca (457 АлГ) (53,3%), F. rupicola (474 Тат) (63,3%) и у F. rubra сортов Tamara, Franklin (61,5%), Киевлянка (59.2%) (табл. 3).
В 2008 г. среди исследованных в течение двух лет 4 видов доля растений с уровнем СДП выше 11.7% оставалась практически неизменной у видообраща F. pratensis (426 РСт) 47,61%, а также у F. valesiaca (413 ВСк) - 100%. В то время как у F. polesica (427 ВЛг) этот показатель в
2008 г. увеличился в 2 раза (с 50.0% до 100%), а у F. valesiaca (457 АлГ) растения с уровнем СДП выше 11.7% вообще не обнаружены, в то время как в 2007 г. доля таких растений составила 53.3% (рисунок).
Таким образом, в результате проведенного исследования /•'. rubra, F. pratensis, F. arundinacea, F. polesica, F. valesiaca и F. rupicola выявлена значительная внутрипопуляционная и межвидовая изменчивость по СДП. Наличие растений с высоким уровнем дефектности, то есть растений с частотой аномалий выше 11,7%, отмечено практически у всех сорю- и видо-
Таблица 3. Доля растений с высоком степенью дефектности пыльцы в исследованных еорто- и видообрашах Festuca L. в 2006—2007 гг.
Сортопопуляция Исследовано Из них с СДП более 11,7%
1 или пилообразен расгений. шт. шт. О/ /о
2006 г.
1 Salaspils 20 4 20,0
2 Tamara 26 16 61,5
3 ГБС 116 30 9 30.0
4 ГБС 202 29 9 31,0
i 5 В ы дубе икая славная 30 1 3,3
1 6 Areta 29 9 31,0
7 Vitory II 30 11 36,7
8 * ssp. arenaria 30 5 16,7
1 9 Свердловская 30 29 96,7
1 10 Jasper 30 5 16,7
! п ssp. rubra 26 24 92,3
12 Bargreen 30 25 83,3
13 Franklin 26 16 61,5
1 14 Киевлянка 27 16 59,2
15 Ирбитская 26 22 84,6
. 16 Frida 30 10 33,3
330 F. rubra (Оз) 30 1 0,33
F. pratensis (Атк) 30 9 30,0
325 F. pratensis (KpK) 30 19 63,3
327 F. arundinacea (Оз) 30 0 0
2007 г.
413 F. valesiaca (ВСк) 30 30 100
426 F. pratensis (14 т) 30 14 46,6
427 F. polesica (BJQ ) 28 14 50,0
457 F. valesiaca (АлГ) 30 16 53,3
458 F. rupicola (АлГ) 30 1 3,33
• 474 F. rupicola (Тат) 30 19 63,3
образцов, за исключением F. arundinacea (327 Оз) и F. valesiaca (457 АлГ). Самыми «высокодефектными» по пыльце оказались вилообразны F. valesiaca (413 ВСк), / polesica (427 BJlr), F. rubra (l ar) и F. pratensis (325 КрК). Минимальная дефектность пыльцы отмечена у F. rubra (330 Оз), F. arundinacea (327 Оз), F. rupicola (458 АлГ). Среди сортов /•' rubra «высокоде-фектными» по пыльце оказались сорта ssp. rubra Свердловская. Ирбитская и ssp. commuíata Bargreen, высока была доля таких растений и у сортов Та-
г
X
и
5
i i £
ё £
-л»
0
1
U
2007 г.
2008 г.
426 F. pratensis □ 427 F polesica □ 457 F. valesiaca а 413 F valesiaca
Изменчивость доли растений с высокой степенью дефектности пыльцы в популяциях некоторых видов Festuca L. по годам
тага. Franklin и Ирбитская, а наименее дефектными по пыльце оказались сорта ssp. rubra Areta и Выдубецкая славная. Усредненные показатели де-фектности пыльцы для каждого сорта и вида, представленные в табл. 1, могут служить их популяционнмми характеристиками.
Полученные нами данные в значительной степени совпадают с из-0
вестными в литературе сведениями о внутривидовой изменчивости генеративных признаков F. rubra L. и указывают на склонность растений данного и других видов рода Festuca к апомиктичному размножению. Особый интерес представляет обнаружение в исследованных растениях образцов с контрастным проявлением признака «СДП», открывающее перспективы дальнейшего комплексного исследования этих форм в связи с проблемой апомиксиса и его генетических предпосылок.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследовании (проект 08-00-00319).
Список литературы
Кашин A.C., Миндубаева Л.Х., Шакина Т.Н. Исследования микро- и мега-гаметофита у некоторых сорто- и видообразцов Festuca rubra L F. pratensis Huds. и F. arundinaceae Schreb. // Современные проблемы морфологии и реиро-дуктивной биологии семенных растений. Ульяновск, 2008. CAA 49.
Крайние К Е., Миндубаева Л.Х., Еналгева ИХ Исследование качества пыльцы у некоторых сортов овсяницы красной в условиях г. Саратова Бюл. Бог. сада Сарат. гос. ун-та. 2005. Вып.4. С.221-228.
Куприянов П.Г. Способ приготовления препаратов зародышевых мешков // Бюл. изобр. 1982. №14 (А.с. № 919636). С.7.
Куприянов П.Г. Диагностика систем семенного размножения в популяциях цветковых растений. Саратов. 1989. 160 с.
ПетровД.Ф, Генетические основы апомиксиса. Новосибирск, 1979. 280 с.
Хохлов С.С. Апомиксис: классификация и распространение у покрьггосе-менных растений //Успехи современной генетики. 1967. Вып.1. С.43 105.
Хохлов С.С, Зайцева М.И., Куприянов ИГ. Выявление апомиктичных растений во флоре цветковых растений СССР. Саратов. 1978. 224 с.
Шишкинская ПЛ., Бородько А. В Об апомиксисе у овсяницы горной (Fes-tuca drymeja Mert. et. Koch) // Докл. высш. школы. Биол. науки. 1987. №1. С.84-89.
Шишкинская Н А., Юдакова О.И. Репродуктивная биология дикорастущих злаков // Изв. Сарат. ун-та. Сер. Биол. Саратов, 2001. С. 166-176.
Шишкинская П.А., Юдакова О.И. Новый подход к использованию ан-тморфологического метода для диагностики апомиксиса у злаков // Бюл. Бот. сада Сарат. гос. ун-та. 2003. Вып.2. С. 180-187.
Шишкинская ПЛ., Юдакова О.И.. Тырнов B.C. Популяционная эмбриология и апомиксис у злаков. Саратов, 2004. 148 с.
AskerS. Progress in apomixes research//Hereditas. 1979. Bd.91,№2. P.231-240.
Grossniklaus U., Nogler G.A., Dijk P.J. van. How to Avoid Sex: The genetic control of gametophytic apomixis // Plant Cell. 2001. Vol. 13. P. 1491-1498.
llerr J.M. A new clearing-squash technique for the study of ovule development in angiosperms//Amer. J. Bot. 1971. Vol.58. P.785-790.
Kindiger В., Dewald С I.. A system for gcnctic change in apomictic eastern ga-magrass // Crop Sci. 1996. Vol.36. P.250-255.
Mariani A., Roscini C.. Basili F. et al. Cytogenetic study of forage grasses and legumes // Legumes for Mediterranean forage crops, pastures and alternative uses Légumineuses pour cultures fourragères, pâturages et autres usages en région méditerranéenne. Zaragoza: CIHF.AM-IAMZ, 2000. P.79-83.
Savidan Y.H. Les promesses de l'apomixis // ORSTOM Actual. 1995. №47.
P.2 7.
Savidan Y Al. Transfer of apomixes through wide crosses // The Flowering of Apomixis: From Mechanisms to Genetic Engineering. Mexico: C1MMYT, 1RS. Eur. Comm. 2001. P. 153-167.
3rd Intern. Apomixis Conf. Abstr. Wernigerode, Germany, 22 June - I July. 2007. Wernigerode. 2007. 132 p.
Vielle Calzada J.-Ph., Crane Ch.F., Stelly DM. Apomixis: the asexual revolution //Science. 1996. Vol.274, №5291. P. 1322-1323.
