Прогревание пыльцы рапса озимого с целью изучения ее свойств и отбора теплостойких генотипов Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 633.853.494:631.527.8

ПРОГРЕВАНИЕ ПЫЛЬЦЫ РАПСА ОЗИМОГО С ЦЕЛЬЮ ИЗУЧЕНИЯ ЕЕ СВОЙСТВ И ОТБОРА ТЕПЛОСТОЙКИХ ГЕНОТИПОВ

М. Г. КАЛИНОВА, И. Б. КОМАРОВА

Институт масличных культур НААН пос. Солнечный, Запорожская обл., Запорожский р-н, Украина, 69093, e-mail: [email protected]

Одной из задач аграрного сектора Украины является создание сортов и гибридов с высокой экологической пластичностью, которые снизят лимитирующее воздействие температурного фактора и позволят в значительной мере повысить рентабельность стратегических культур, к которым также относится и рапс озимый. Решение поставленной задачи во многом зависит от поиска и вовлечения в селекционный процесс терморезистентных образцов. Первым шагом в данном направлении является оценка коллекционного материала на наличие термотолерантных генотипов. В статье представлены результаты по изучению теплоустойчивости образцов рапса озимого. Пыльцу исследуемых генотипов в питательной среде подвергали воздействию повышенной температуры 36±1°С. Для получения более объективных данных применили несколько временных экспозиций. Теплоустойчивость определяли по степени снижения процента прорастания пыльцы и длины пыльцевых трубок в опытных вариантах по сравнению с контрольными. Опыты проводили в трехкратной повтор-ности, статистическую обработку полученных результатов - по общепринятой методике с помощью прикладных программ. Было установлено, что прогревание пыльцы в большей степени оказывало ингибирующее воздействие на жизнеспособность пыльцы, чем на длину пыльцевых трубок. Все временные режимы прогревания пыльцы снижали процент ее прорастания. Прогревание пыльцы в течение 15 и 20 минут не оказывало сильного ингибирующего воздействия на длину пыльцевых трубок, а у некоторых сортов даже оказывало стимулирующий эффект на их рост. Для дифференциации образцов озимого рапса по признаку теплоустойчивости на уровне микрогаметофита нами предложен комплексный анализ по обоим изученным признакам. Выделенные образцы рекомендованы для вовлечения в селекционный процесс с целью повышения уровня экологической пластичности.

Ключевые слова: гаметофит, питательная среда, прогревание, прорастание пыльцы, длина пыльцевых трубок, степень снижения.

One of the tasks of agrarian sector of Ukraine is creation of varieties and hybrids with high environmental plasticity, which will reduce the limiting effect of temperature factor and will significantly improve the profitability of strategic crops, which also include winter rapeseed. The solution of this task depends to a large extent on the search and involvement of thermo-resistant samples in the selection process. The first step in this direction is evaluation of the collection material according to the presence of thermo-tolerant genotypes. The article presents results of research into the thermal stability of winter rape samples. The pollen of examined genotypes in the nutrient medium was exposed to an elevated temperature of 36 ± 1 ° C. To obtain more objective data, several time exposures were used. The heat resistance was determined by the degree of decrease in the percentage of germination of pollen and the length of the pollen tubes in experimental variants in comparison with the control ones. Experiments were carried out thrice, statistical processing of obtained results - according to the generally accepted method with the help of applied programs. We have established that the heating of the pollen had an inhibiting effect on the viability of the pollen to a greater extent than on the length of the pollen tubes. All the time regimes of pollen heating reduced the percentage of its germination. Pollen heating during 15 and 20 minutes did not exert a strong inhibitory effect on the length of pollen tubes, and in some varieties even had a stimulating effect on their growth. To differentiate winter rape samples according to the indicator of heat resistance at the level of microgametophyte, we proposed a complex analysis according to both of the examined indicators. Selected samples are recommended for involvement in the selection process in order to increase the level of ecological plasticity.

Key words: gametophyte, nutrient medium, heating, pollen germination, length ofpollen tubes, degree of decrease.

Введение

Нормальное произрастание любого растения возможно только при благоприятно складывающихся условиях внешней среды для данного вида. Температура является одним из лимитирующих факторов, действующих на разных этапах развития растений и обуславливающих снижение урожайности стратегических сельскохозяйственных культур. Для рапса озимого неудачно складывающиеся экстремальные температурные условия в осенне-зимний период приводят к вымерзанию посевов, их изреженности, снижению иммунного статуса растений и, как следствие, значительному поражению растений заболеваниями и вредителями. В период бутонизации, цветения, плодообразования воздействие повышенной температуры снижает фертильность пыльцы, завязываемость стручков, что приводит к существенному уменьшению урожайности [1]. Создание термотолерантных сортов позволит в значительной мере снизить лимитирующее воздействие температурного фактора и обеспечить высокие урожаи. Изучение популяции с целью отбора термоустойчивых генотипов и создания на их базе сортов и гибридов с повышенной терморезистентностью является одной из задач генетических исследований в настоящее время.

В последние годы гаметная селекция успешно используется для проведения ранней оценки селекционного материала по реакции гаметофита на воздействие абиотических и биотических факторов среды [2-5]. Данные исследования успешно проводились на многих сельскохозяйственных культурах [6-12].

Для ускоренного процесса создания сортов, устойчивых к повышенной температуре, нами экспериментально проведены оценка на искусственном фоне на уровне мужского гаметофита и отбор селекционного материала с повышенной теплостойкостью.

Основная часть

Исследования проводились на базе Института масличных культур в 2015-2016 гг. Пыльцу с 30-35 открывшихся цветков каждого образца коллекции собирали на предметное стекло препаровальной иглой и перемешивали. Перемешанную пыльцу приблизительно в равных количествах на отдельных предметных стеклах для контрольных и опытных вариантов размешивали в 3-4 каплях питательной среды [2], чтобы не было комков, затем помещали в чашку Петри на увлажненную фильтровальную бумагу. Далее контрольные варианты переносили в термостат и проращивали при 24±1 °С в течение 2 часов. Опытные варианты предварительно подвергали воздействию температуры 36±1 °С с разными сроками прогревания, после этого проращивали вместе с контрольными в термостате в течение 2 часов [13].

В результате проведенных исследований было установлено влияние прогревания на прорастание пыльцы и длину пыльцевых трубок. Все использованные в эксперименте временные режимы приводили к снижению процента прорастания пыльцы в опытных вариантах. Данный показатель снижался с увеличением срока прогревания пыльцы (табл. 1). Это хорошо видно по средним показателям степени снижения.

Таблица 1. Влияние тепловой обработки на прорастание пыльцы рапса озимого

Название образца Время прогревания Прорастание пыльцы, %

пыльцы, мин контроль опыт степень снижения

1 2 3 4 5

Анна 60,46 38,67 36,04

Атлант 56,9 29,4 48,33

Маэстро 68,93 30,1 56,33*

Чемпион 71,93 18,53 74 23***

Харнес 59,4 31,7 46,63

Легион 15 78,0 10.33 86,75***

Лорис 80,67 38,9 51,78*

Антей 68,9 1,43 97 92***

Галицкий 67,7 14,13 79 13***

Rafaella 82,35 8,4 89 8***

Рохан 74,0 0,7 99 05***

Panther 40,13 15,1 62,37**

Средний показатель 69,03

F1-32 40,9 0,7 98,29***

Tenor 58,23 28,13 51,69*

Isabella 71,05 0,5 99 29***

33 65,15 0,05 99 92***

35 63,5 0,05 99 92***

36 56,0 0 100***

Panther 63,0 1,75 97,22***

Lirajet 68,0 6,85 89,92***

Yana 78,35 0,4 99 48***

Pronto 53,85 0,45 99 16***

Cornet 28,7 1,25 95 64***

Чемпион 54,6 0 100***

Оптима 39,0 5,3 86,41***

Сенатор 56,1 4,7 91,62***

Vectra 44,2 3,55 91 97***

Дема 67,95 2,55 96,24***

ДР-13Н 20 62,4 0 100***

Джеспер 45,75 0 100***

RPC-2031 37,85 0,4 98 94***

Черный велетень 58,4 0 100***

Н-450 62,0 9,7 84,35***

К-571 61,7 0 100***

К-1550 70,3 0 100***

RPC-702 34,95 0,2 99 43***

Milena 83,0 5,35 93 55***

RPC-2031 41,15 0,05 99,88***

EGC-102 51,75 2.1 95 94***

NS-O-6 40,3 3,75 90,69***

NS-O-14 53,25 4,55 91 45***

NS-O-20 55,55 14,35 74 17***

NS-O-2 44,5 6,0 86,51***

Kata 41,8 1,05 97 49***

Mira 71,4 6,15 91,38***

Галицкий 67,7 3,53 94 78***

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5

Средний показатель 93,9

Черемош 73,8 9,65 86,92***

Стилуца 73,27 6,97 90 49***

Соло 42,07 0,1 99 76***

Анна 60,46 0,1 99,83***

Атлант 56,9 4,1 92 79***

Маэстро 68,93 0 100***

Чемпион 71,93 0 100***

Харнес 59,4 10,06 83,06***

Легион 30 78,0 0,3 99 61***

Лорис 80,67 0 100***

Антей 68,9 0,07 99 9***

Panther 40,13 0,17 99 58***

F1-32 38,13 0,76 97 99***

Антария 38,13 0,76 97 99***

Сенатор 43,63 0 100***

Рохан 74,0 0 100***

Челси 31,5 0 100***

Средний показатель 96,5

Черемош 73,8 5,4 92,68***

Стилуца 73,3 0 100***

Соло 45 42,07 0 100***

Антария 38,13 0,26 99 3***

Сенатор 43,63 0 100***

Средний показатель 98,4

*, **, *** _ разница существенна при p<0,05, 0,01 и 0,001 соответственно.

Если сравнивать продолжительность обработки пыльцы, то наиболее низкой степень снижения была в варианте прогревания пыльцы в течение 15 минут (в среднем 69,03 %), а наиболее высокой -когда пыльцу прогревали в течение 45 минут (98,4 %). Полученные результаты позволили дифференцировать все исследованные образцы по теплоустойчивости. К теплоустойчивым по данному признаку в каждом варианте прогревания мы отнесли сорта, которые имели минимальную степень снижения прорастания пыльцы в опытных вариантах по сравнению с контрольными. Это сорта Анна, Атлант и Харнес (15 мин.), сорт Tenor и образец NS-O-20 (20 мин.), Черемош, Харнес и Стилуца (30 мин.). При обработке пыльцы в течение 45 минут степень снижения процента прорастания пыльцы у всех изученных образцов составляет около 100 %.

Значительно меньшее ингибирующее воздействие прогревание пыльцы оказывало на другой анализируемый признак - длину пыльцевых трубок (табл. 2). Непродолжительные сроки прогревания пыльцы (15 и 20 минут) у некоторых сортов даже оказывали стимулирующее влияние на их рост. В опытных вариантах данных сортов длина пыльцевых трубок была больше, чем в контрольных, а степень снижения имела отрицательные значения. Например, сорта Анна, Атлант, Легион, Лорис, Га-лицкий - -11,4 %, -3,8 %, -15,1 %, -12,0 %, -30,0 %. Максимальная степень снижения в варианте обработки в течение 15 минут составила 41,4 (сорт Чемпион). При увеличении срока воздействия в опытных вариантах происходит снижение показателей по данному признаку, что видно по средним значениям вариантов: 8,56 % при обработке в течение 15 минут, 32,3 % - 20 минут, 74,2 % и 90,8 % - 30 и 45 минут прогревания соответственно. По данному признаку в каждом варианте мы также выделили образцы с минимальной степенью снижения длины пыльцевых трубок в опытных вариантах и оха-растеризовали их как наиболее теплоустойчивые. При обработке продолжительностью 15 минут: Га-лицкий (-30,66 %), Легион (-15,08 %), Лорис (-12,8 %), Анна (-11,41), Атлант (-3,79 %); при обработке 20 минут Галицкий (-39,46 %), Milena (-25,5 %), Kata (-17,88), Vectra (-13,97 %), Дема (-12,5 %), NS-O-20 (-12,24 %). При обработке в течение 30 минут увеличение длины пыльцевых трубок не наблюдалось. Минимальная степень снижения относительно контроля наблюдалась у образцов Харнес (37,98 %), Черемош (40,09 %), Panther (42,87 %) и Стилуца (43,65 %). Обработка пыльцы продолжительностью 45 минут у всех образцов вызывает существенное снижение изученного показателя.

Таблица 2. Влияние тепловой обработки пыльцы рапса озимого на длину пыльцевых трубок

Название образца Время прогревания Длина пыльцевых трубок

пыльцы, мин контроль опыт степень снижения

1 2 3 4 5

Анна 11,13±0,65 12,4±0,60 -11,41

Атлант 16,6±0,96 17,2±1,24 -3,79

Маэстро 9,9±0,43 7,33±0,51 25,96

Чемпион 10,63±0,47 6,23±0,61 41,39

Харнес 11,77±0,66 10,3±0,72 12,49

Легион 15 12,6±0,68 14,5±0,98 -15,08

Лорис 10,0±0,53 11,2±0,45 -12,8

Антей 9,0±0,37 7,23±0,50 19,67

Галицкий 7,5±0,44 9,8±0,49 -30,66*

Rafaella 16,1±1,12 12,46±0,91 22,6

Рохан 11,7±0,60 8,4±0,65 28,2

Panther 11,43±1,35 8,53±1,52 25,37

Средний показатель 8,56

F1-31 15,5±2.06 5,5±6,35 64,51

Tenor 8,46±0,67 7,93±0,74 6,22

Isabella 12,8±0,87 8,73±1,35 31,1*

33 9,95±0,39 6,5±3,0 34,67

35 8,05±0,37 4,85±0,88 39,75

36 10,4±0,50 0 100***

Panther 10,5±0,74 8,25±1,46 21,42

Lirajet 14,7±0,92 9,95±0,68 32,31***

Yana 12,0±0,57 10,25±0,87 14,58

Pronto 10,45±0,48 8,25±1,15 21,05

Cornet 9,3±0,49 1,4±0,56 83 9***

Чемпион 14,45±0,97 0 100***

Оптима 10,85±0,49 8,55±0,6 21,2

Сенатор 12,2±0,59 8,95±0,88 26,64

Vectra 13,6±0,58 15,5 -13,97

Дема 8,4±0,55 9,45±0,94 -12,5

ДР-13Н 20 8,1±0,41 0 100***

Джеспер 7,45±0,42 0 100***

RPC-2031 8,5±0,48 8,4±1,7 1,17

Чорный велетень 9,4±0,43 0 100***

Н-450 9,4±0,56 9,4±0,45 0

К-571 8,9±0,44 0 100***

К-1550 9.6±0,36 0 100***

RPC-702 17,8±0,79 6,9±1,05 61,23***

Milena 10,0±0,47 12,55±0,73 -25,5

RPC-2031 9,3±0,44 4,5±3,03 51,61

EGC-102 13,0±0,63 9,95±0,64 23,46***

NS-O-6 7,1±0,3 6,4±0,39 9,86

NS-O-14 8,1±0,33 7,4±0,41 8,64

NS-O-20 7,35±0,33 8,25±0,35 -12,24

NS-O-2 6,8±0,43 7,0±0,44 -2,94

Kata 6,15±0,24 7,25±0,91 -17,88

Mira 9.65±0,46 7,6±0,44 21,24**

Галицкий 7,5±0,44 10,46±1,14 -39,46**

Средний показатель 32,27

Черемош 12,1±1,39 7,26±0,77 40,09*

Стилуца 12,6±0,61 7,1±0,48 43,65**

Соло 11,4±0,40 2,4±0,58 79 07***

Анна 11,1±0,65 1,1±0,33 90 11***

Атлант 16,6±0,96 4,5±0,37 72,89***

Маэстро 9,9±0,43 0 100***

Чемпион 10,6±0,47 0 100***

Харнес 11,7±0,66 7,3±0,60 37,98*

Легион 30 12,6±0,68 3,3±1,52 73,80**

Лорис 10,0±0,53 0 100***

Антей 9,0±0,37 1,1±0,29 87 8***

Panther 11,4±1,35 6,53±3,38 42,87

F1-32 11,4±1,35 3,33±2,61 70,87

Антария 8,6±0,41 1,47±0,67 82 9***

Сенатор 8,7±0,30 0 100***

Рохан 11,7±0,60 0 100***

Челси 13,7±0,49 0 100***

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5

Средний показатель 74,2

Черемош 12,13±1,39 3,4±0,1 71 97**

Стилуца 12,6±0,61 0 100***

Соло 45 11,47±0,40 0 100***

Антария 8,6±0,41 1,53±1,6 82,2***

Сенатор 8,7±0,30 0 100***

Средний показатель 90,8

*, **, *** - разница существенна при р<0,05, 0,01 и 0,001 соответственно; длина пыльцевых трубок указана в делениях окуляр-микрометра микроскопа.

По результатам эксперимента нами были отобраны образцы, у которых степень снижения обоих признаков в опыте была или минимальной, или значительно ниже средней (табл.3). Данные образцы были охарактеризованы как максимально теплоустойчивые.

Таблица 3. Характеристика устойчивых к воздействию повышенных температур образцов озимого рапса

Название образца Время, прогревания пыльцы, мин Степень снижения, %

прорастания пыльцы длины пыльцевых трубок

Анна 15 36,04 -11,4

Атлант 48,33 -3,8

Маэстро 56,33 25,96

Лорис 51,78 -12,8

Tenor 20 51,70 6,2

NS-0-20 74,17 -12,24

Оптима 86,41 21,2

Н-450 84,35 0

NS-O-2 86,51 -2,94

Milena 93,55 -25,5

Vectra 91,97 -13,97

Черемош 30 86,92 40,09

Харнес 83,06 37,98

Стилуца 90,49 43,65

Атлант 92,79 72,89

При обработке в течение 15 мин. - это сорта Анна (степень снижения прорастания пыльцы 36,04 %, степень снижения длины пыльцевых трубок -11,41 %), Атлант (48,33 % и -3,79 % соответственно), Маэстро (56,33 %, 25,96 %) и Лорис (51,78 %, -12,8 %). У образцов, выделенных при обработке в течение 20 мин., степень снижения прорастания пыльцы изменялась от 51,69 % (Tenor) до 93,55 % (Milena), но степень снижения длины пыльцевых трубок не превышала 21,2 % (Оптима), а у большинства была негативной. При обработке пыльцы повышенной температурой в течение 30 минут нами выделены 4 образца. Минимальная степень снижения прорастания пыльцы составляет у них 83,06 % (Харнес), максимальная - 92,79 % (Атлант). Для степени снижения длины пыльцевых трубок эти показатели составляют: минимум 37,98 % (Харнес), максимум 72,89 % (Атлант). На основе комплексного анализа изученных показателей жизнеспособности пыльцы данные образцы рекомендованы нами для вовлечения в селекционный процесс с целью повышения уровня экологической пластичности.

Заключение

В результате проведенного эксперимента было установлено, что все временные режимы прогревания пыльцы приводили к значительному снижению процента ее прорастания в опытных вариантах.

Непродолжительные сроки прогревания пыльцы 15 и 20 минут не оказывали существенного инги-бирующего воздействия на длину пыльцевых трубок в опытных вариантах, а у некоторых сортов оказывали стимулирующий эффект на их рост, однако при увеличении срока прогревания в опытных вариантах по данному признаку показатели также снижались.

Для дифференциации образцов озимого рапса по признаку теплоустойчивости на уровне микрога-метофита нами предложен комплексный анализ по обоим изученным признакам. Выделенные образцы рекомендованы для вовлечения в селекционный процесс с целью повышения уровня экологической пластичности.

Выявленная разная реакция изученных генотипов рапса озимого на повышенную температуру позволила выявить устойчивые формы и предложить их в качестве исходного материала для селекции сортов и гибридов, резистентных к высоким температурам.

ЛИТЕРАТУРА

1. С анько, Н. В. Цветение и плодообразование озимого рапса / Н. В. Санько, Г. А. Жолик // Биология и совершенствование агротехники сельскохозяйственных культур. - Минск, 2008. - Вып. 4. - С.178-182.

2. Методы отбора ценных генотипов на уровне пыльцы / Под ред. В. А. Лях [и др]. - Запорожье, 2000. - С. 9.

3. Калинова, М. Г. Способ оценки холодоустойчивости растений рапса ярового по пыльце / М. Г. Калинова, А. И. Сорока, В. И. Лях. - Запорожье, 1997. 3 с.

4. Маракаева, Т. В. Влияние температуры внешней среды на прорастание пыльцы фасоли в условиях южной лесостепи западной Сибири / Т. В. Маракаева // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ - 2015. - № 2.

5. Козарь, Е. Г. Влияние температуры на прорастание пыльцы свеклы столовой в условиях in vitro / Е. Г. Козарь, М. И. Федорова, И. Т. Балашова, В. А. Заячковский. // Всероссийский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства овощных культур. - 2015. - № 11-4. - С. 322-326.

6. Николаев, А. В. Экологическая оценка сортообразцов черной смородины по характеристикам пыльцевых зерен / А. В. Николаев, Л. В. Голышкина // Актуальные проблемы садоводства России и пути их решения. Сб. статей. конф. 2007 г. ГНУ Всероссийский НИИ селекции плодовых культур.

7. Юрлова, Е. В. Оценка томатов на устойчивость к нерегулируемым абиотическим факторам с использованием признаков гаметофитного и спорофитного поколений / Е. В. Юрлова // Автореф. дис. к. с.-х. наук., НАУ, 2000.

8. Брыль, Е. А. Использование микрогаметофитного отбора для дифференцировки генотипов люпина по устойчивости к контрастным температурам / Е. А.Брыль, И. Б.Саук, В. С.Анохина // Материалы Международной научной конференции «Генетика и биотехнология XXI века. Фундаментальные и прикладные аспекты». - Минск: БГУ, 2008. - С.51-53.

9. Клименко, О. А. Влияние стрессовой температуры на признаки мужского гаметофита кукурузы и томатов / О. А. Клименко, Т. И. Салтанович, А. Н. Кравченко //Регуляция роста, развития и продуктивности растений Материалы 7-й международной научной конференции, Минск 26-28 октября 2011 г. - С. 97.

10. Разумкова, Г. М. Гаметная селекция томатов / Г. М. Разумкова //Сборник конференций НИЦ «Социосфера». -2014. - № 38. - С. 58-64.

11. Куликов, Ю. А. Создание исходного материала перца сладкого методом гаметофитного отбора / Ю. А. Куликов, Г. П. Данилюк, Н. Н. Куликова // Агробиология Белая Церковь Белоцерковский национальный аграрный университет. -2014. - №2. - С. 97-100.

12. Lyakh V.A., Soroka A.I., Kalinova M.G. Pollen storage at low temperature as a procedure for the improvement of cold tolerance in spring rape, Brassica napus L.,//Plant Breeding.-1998.-Vol.117.-P.389-391.

13. Калшова, М. Г. Вплив низьких та високих температур на насгння ргпаку озимого на раншх етапах розвитку / М. Г. Калшова // Науково-техшчний бюлетень 1нституту олгйних культур НААН. - Вип. 23. - 2016. - С. 28-34.