CC BY
67
Температурный режим, микроспорогенез и развитие пыльцевых зёрен гибридов облепихи крушиновидной (Н1ррорЬаё гНатпа^вв L.)
Д.А. Лапшин, к.б.н., филиал ФГУ «Рослесозащита» -«ЦЗЛ Нижегородской области», Т.Н. Кузнецова, к.б.н., В.А. Фефелов, к.с.-х.н, Нижегородская ГСХА
В ходе онтогенеза растительные организмы испытывают воздействие комплекса абиотических и биотических факторов среды, но их относительное значение неодинаково. Часто один какой-либо фактор является лимитирующим, оказывающим настолько мощное воздействие на растение, что влиянием других факторов можно пренебречь.
Изучение влияния внешних факторов имеет важное значение в вопросах интродукции и се-
лекции растений. Особое место в этом вопросе занимает исследование воздействия комплекса абиотических и биотических факторов среды на репродуктивный процесс растений, т.к. именно репродуктивный процесс предопределяет возможность дальнейшей селекции интродуцируе-мых растений.
Облепиха крушиновидная (Шрроркаё гНаш-по1йея Ь.) является относительно недавно ин-тродуцированной культурой и представляет большой интерес, как пищевое и лекарственное растение. Известно, что её природные популяции занимают большие площади на территории России и стран бывшего СССР. В границах
ареала Н. гhaшnoides сформировались надёжно изолированные и хорошо оформленные экотипы и более мелкие внутривидовые таксоны — кли-матипы, среди которых наибольшее значение в селекции мужских и женских растений облепихи получили прибалтийский и катунский экотипы. В связи с этим широко изучена экология облепихи: климатические и эдафические условия произрастания. Полученные данные указывают на то, что основным лимитирующим фактором интродукции облепихи выступает температурный режим зимне-весеннего периода.
Изучению зимостойкости облепихи в условиях Нижегородской области посвящены работы М.А. Коровиной, В.В. Селехова, М.П. Смертина, в которых установлено, что к неблагоприятным условиям зимне-весеннего периода наиболее чувствительна мужская генеративная сфера Н. гНаш-noides [1—3]. Однако данные о влиянии температурного режима на начальные этапы репродуктивного процесса мужских растений облепихи крушиновидной отсутствуют, хотя они, несомненно, имеют значение для селекционного процесса и дополнят эколого-биологическую характеристику вида.
Известно, что развитие пыльников у Н. гНаш-noides происходит в два этапа в течение двух вегетационных периодов. I этап развития — от археспориальной клетки до формирования спорогенной ткани и стенки пыльника — протекает с конца июля по октябрь, II этап — микроспоро-генез и развитие пыльцевых зёрен — протекает весной [4—6].
Выше изложенное определило цель работы: установить зависимости прохождения отдельных этапов микроспорогенеза мужских гибридов Н. гhaшnoides разного эколого-географического происхождения от температурного режима (сумм положительных температур) в весенний период.
Объекты и методы исследования. Объектами исследований являлись пыльники и мужские га-метофиты перспективных селекционных гибридов Н. гhaшnoides разного эколого-географичес-кого происхождения селекции В.А. Фефелова (НГСХА). Всего в опыте проанализировано 40 мужских растений восьми перспективных мужских гибридов селекции НГСХА.
По комплексу морфофизиологических признаков мужские гибриды можно условно разделить на две группы: с преобладанием морфофизиологических признаков прибалтийского (Геракл, 31/89, 1/90 и 5/93) и катунского (Дебют, 5/87, 1/89 и 1/91) экотипов.
Пробы для проведения цитологического анализа микроспорогенеза начинали отбирать после перехода среднедекадных температур через 0 °С. Отбор проб (соцветий) проводили из середины кроны, не менее 15 соцветий с каждого гибрида.
Стадии развития мужского гаметофита определяли на давленых временных препаратах по общепринятой методике ацетокармином, комбинированным реактивом и реактивом Шиффа по Фёльгену [7, 8].
Результаты и обсуждение. Деление клеток в генеративных почках облепихи крушиновидной начинается при переходе среднесуточных температур через 0 °С [9], что, по данным В.Р. Кондор-ской [4], О.П. Проскуриной [10], полученным в Ленинградской области, И.А. Касимовской [11] в Тамбовской области, приходится на вторую декаду апреля. В литературе нет данных о соответствии стадий микроспорогенеза и суммы положительных температур, хотя таковые установлены для распускания листьев, завязываемости плодов, сроков их созревания. Подобная схема анализа, на наш взгляд, уместна и для описания микроспорогенеза.
Определение стадий развития мужского гаметофита у облепихи крушиновидной осложнено тем, что микроспорогенез в бутонах из разных частей соцветия протекает асинхронно. Установлено, что микроспорогенез в нижних бутонах начинается раньше, что согласуется с литературными данными [4, 12]. В связи с этим начало этапов микроспорогенеза изучали в трёх ярусах соцветия, т.е. в пыльниках из верхнего, среднего и нижнего ярусов.
Согласно полученным результатам, пыльники из разных частей одного соцветия находятся на различных стадиях развития. Наиболее заметны данные отличия на первых этапах микроспоро-генеза. Несмотря на разницу в сроках формирования мужского гаметофита, в неодинаковых частях соцветия пыление в целом происходит синхронно.
Из микроскопических наблюдений следует, что по размерам и окраске пыльников можно судить о стадиях развития мужского гаметофита у Н. гhaшnoides, что ранее рекомендовано для других цветковых растений [13].
Изучение особенностей мужского гамето-фита различных гибридов облепихи крушиновидной включало в себя микроспорогенез и развитие пыльцевого зерна, т.е. весенний этап развития.
При сравнительном изучении гибридов облепихи крушиновидной более чётко разница в развитии мужского гаметофита проявляется в период активного деления спорогенной ткани.
Проведённые исследования показали наличие единой схемы развития мужского гаметофита у всех изучаемых гибридов, различающихся по эколого-географическому происхождению родительских растений. Отличия были выявлены в сроках начала этапов микроспорогенеза (рис.).
Согласно полученным в 2005 г. данным, в пробе от 11.04 отмечено наличие сформиро-
ванной ткани тапетума и спорогенной ткани. В единичных бутонах — незначительное увеличение клеток тапетума и начало цитокинеза в них. Первое деление мейоза в нижних бутонах выявлено 13 апреля, а в верхних бутонах наблюдали микроспороциты, что подтверждает асинхронность развития пыльников в соцветии.
В 2005 г. различий между гибридами по срокам начала мейоза установить не удалось, т.к. он проходил у всех изучаемых гибридов в сжатые сроки — с 13 по 18 апреля. Данный факт мы связываем с интенсивностью набора положительных температур (рис.). На рисунке показано, что с 13 по 18 апреля температура не опускалась ниже 1 °С, а набор положительных температур за этот период шёл быстро и составил 61 °С, что не позволило выявить различий между гибридами. В естественных условиях произрастания родительских растений изучаемых гибридов весенние температурные режимы достаточно близки, а для проявления различий в протекании микроспорогенеза требуется, как мы полагаем, более плавный набор положительных температур. Таким образом, по результатам опыта 2005 г. установлено, что началу мейоза соответствует сумма положительных температур, равная 64 °С.
В 2006 г. начало мейоза у гибридов Дебют, 5/87, 1/89 и 1/91 — «катунский экотип» было отмечено раньше (17.04), чем у гибридов Геракл, 31/89, 1/90 и 5/93 — «прибалтийский экотип» (20.04). У гибридов «катунского экотипа» встречались единичные соцветия, начало мейоза у которых в цветках нижнего яруса было зарегистрировано уже 12 апреля.
Проявлению чётких различий по срокам протекания этапов микроспорогенеза в 2006 г. между гибридами разного эколого-географического происхождения, на наш взгляд, способствовал более плавный набор положительных температур, а также низкие положительные температуры в начале апреля и отрицательные температуры ночью 11 и 13 апреля. Набор положительных температур с 17.04 по 20.04 составил 37,7 °С, что и позволило, по нашему мнению, выявить различия между началом определённых этапов микроспорогенеза.
Начало мейоза в 2006 г. было отмечено при сумме положительных температур 48,5 °С у гибридов «катунского экотипа» и 62 °С у гибридов «прибалтийского экотипа».
Осенне-зимний период 2006—2007 гг. характеризовался экстремальными погодными условиями (продолжительной тёплой осенью, зимой с неустойчивым температурным режимом), которые привели к истощению и гибели гибридов (Дебют, 1/90 и 5/93).
Весной 2007 г. очень рано произошёл переход средних декадных температур через 0 °С, набор положительных температур шёл постепенно, но
в ночные часы отмечены отрицательные температуры (рис.).
В 2007 г. образование микроспороцитов и первое деление мейоза были установлены значительно раньше у гибридов «катунского экотипа» — 30.03, чем у гибридов «прибалтийского экотипа» — 2.04. (рис.).
Начало мейоза, по наблюдениям 2007 г., имело место при сумме положительных температур 84 °С у гибридов «катунского экотипа» и 114,4 °С у гибридов «прибалтийского экотипа».
Значительные различия в суммах положительных температур обусловлены, как мы полагаем, продолжительным понижением температур в ночные часы (17 марта, 26—29 марта и 1—2 апреля). Однако, с учётом того, что с 26 по 30 марта активная дифференциация тканей в пыльниках не происходила, то, следовательно, начало мейоза соответствует сумме положительных температур, равной 49,5 и 71,7 °С, что близко к значениям прошлых лет наблюдений.
Анализируя данные 2007 г., можно предположить, что понижение ночных температур до 0 °С и ниже в период подготовки спорогенной ткани и микроспороцитов к мейозу влечёт за собой в дальнейшем увеличение сумм положительных температур, необходимых для начала мейоза.
Образование тетрад микроспор во все годы исследования у гибридов «катунского экотипа» (Дебют, 5/87, 1/89 и 1/91) начиналось в более ранние сроки: 18.04.05, 20.04.06 и 03.04.07, чем у гибридов «прибалтийского экотипа».
Начало образования тетрад отмечено при сумме положительных температур 114,8—118,5 °С у гибридов «катунского экотипа»; 135,6—147 °С — у гибридов «прибалтийского экотипа».
Формирование одноядерных пыльцевых зёрен у всех исследуемых гибридов протекает примерно в одни сроки независимо от экологогеографического происхождения. Момент распада тетрад на микроспоры и начало образования одноклеточной пыльцы крайне скоротечен. Когда в нижних бутонах соцветия наблюдали стадию одноклеточных пыльцевых зёрен, которые имели не полностью сформированную оболочку и цитоплазму, в верхних бутонах соцветия отмечали лишь тетрады микроспор.
Во все годы исследований у гибрида Дебют обнаруживали единичные зрелые двуядерные пыльцевые зёрна в более ранние сроки по сравнению с остальными изучаемыми гибридами. В зрелом состоянии пыльцевые зерна находятся в пыльниках до начала пыления. На основании наблюдений 2005—2007 гг. установлено, что зрелая двуядерная пыльца у всех изученных гибридов формировалась при сумме положительных температур от 171,8 °С до 216,6 °С.
Пыльца у всех гибридов полностью созрела 3 мая в 2005 г., 4 мая в 2006 г. и 12 апреля в 2007 г.
15
10
и
Й 5
(Я
а
£
^5
V
-10
А К Не \
Г\ ) Г\ /Л/А ]
і і г 1 \ Д Д Г. , |\ / V
4 V <¿£5 <¿£5 <¿£3 <¿£3 <¿£5 и* «ч* ^ ч* Ч* Ґ ^ и ^1' г <$' <$' <$' <$' -#Ч -# 4 ^ сч*^ ^ о* а* Ь*
^ V V V V “VI IV 'V 'V 'V | ы 4
2007
год
----Среднесуточная температура
Дата
— ■ Минимальная температура
Рис. - Среднесуточные и минимальные температуры, на фоне которых протекал микроспорогенез в весенние периоды 2005-2007 гг. Стрелками указано начало микроспорогенеза у гибридов с преобладанием морфофизиологических признаков катунского (А) и прибалтийского (Б) экотипов
Пыление начиналось практически одновременно у всех исследуемых образцов и, как мы полагаем, не зависело от эколого-географического происхождения родительских растений, а зависело, главным образом, от складывающихся погодных условий. Следует отметить, что во все годы исследований лишь гибрид Геракл начи-
нал пылить на 12—24 ч раньше, чем остальные гибриды.
Пыление облепихи продолжалось в течение 2—3 дней, только в 2007 г. пыление всех мужских образцов продолжалось 7—8 дней. Как показали наши исследования, понижение температуры и увеличение влажности воздуха могут значительно
0
отсрочить момент пыления, что согласуется с мнением ряда авторов [2]. Пыление, согласно полученным данным, начинается при сумме положительных температур 276,3—343,9 °С.
Заключение. На основании проведённых исследований выделены две группы гибридов Н. гИатпо1йея, различающиеся по срокам начала этапов микроспорогенеза в зависимости от суммы положительных температур в весенний период. К I группе относятся гибриды с преобладанием морфофизиологических признаков катунского экотипа, ко II — с преобладанием морфофизиологических признаков прибалтийского экотипа. У гибридов I группы начало микроспорогенеза и образование тетрад микроспор происходит при более низких суммах положительных температур (48,5—49,5 °С и 114,8—118,5 °С соответственно), чем у гибридов II группы (62,0-71,1 °С; 135,6-147,0 °С). Созревание пыльцы и цветение (пыление) мужских растений протекают у изученных гибридов и экотипов практически одновременно, при сумме положительных температур от 171,8 до 216,6 °С и от 276,3 до 343,9 °С соответственно и зависят от складывающихся в этот период погодных условий.
Литература
1. Коровина М.А. Роль абиотических факторов в интродукции облепихи крушиновидаой(йдао/)/;аёг/;атиок/ет1,.):автореф. дис. ... канд. биол. наук. Нижний Новгород, 2000. 24 с.
2. Селехов В.В. Селекционно-биологическая оценка мужских форм облепихи: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Брянск, 2000. 22 с.
3. Смертин М.П. Селекционный потенциал зимостойкости сортов и гибридов облепихи крушиновидной (Hippophaë rhamnoides L.): автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Брянск, 2006. 22 с.
4. Кондорская В.Р. Морфология тычиночного цветка и развитие мужского гаметофита облепихи // Научные доклады высшей школы. Биологические науки. 1967. № 4. С. 69—75.
5. Кондорская В.Р. Анатомо-морфологическое исследование облепихи (Hippophaë rhamnoides L.): автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 1973. 21 с.
6. Камелина О. П., Проскурина О. Б. Семейство Elaeagnaceae // Сравнительная эмбриология цветковых растений. Davidiaceae — Asteraceae. JI., 1987. С. 105—110.
7. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М., 1988. 304 с.
8. Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятов А.Г. и др. Основы и методы: справочник по ботанической микротехнике. М.: Изд-во МГУ, 2004. 312 с.
9. Фаустов В.В. Особенности цветения и плодоношения облепихи крушиновидной // Известия ТСХА. 1975. Вып. 3. С, 137-146.
10. Проскурина О.Б. Эмбриология семейства Elaeagnaceae: автореф. дис. ... канд. биол. наук. JL, 1990. 18 с.
11. Касимовская И.А. Оценка сортов облепихи в условиях центрально-чернозёмного региона: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Мичуринск, 2004. 8 с.
12. Ильина Н Л. Развитие цветочных почек у облепихи в условиях Челябинска // Физиология, экология и агротехника садовых культур: сб. науч. тр. Новосибирск, 1985. С. 107—115.
13. Scott R., Hodge R., Paul W., Draper J. The molecular biology of anther defferentiaton // Plant Science. 1991. V. 80. P. 167-Í91.
