CC BY
55
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 631.527.7/365.62.
ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ ПЫЛЬЦЫ И ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ФОРМ У АРБУЗА
THE VIABILITY OF THE POLLEN AND OBTAINING PROMISING FORMS
IN WATERMELON
А.С. Овчинников1, член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Т.Г. Колебошина1'2, доктор сельскохозяйственных наук, профессор О.П. Варивода2, кандидат сельскохозяйственных наук, Н.Г. Байбакова2, старший научный сотрудник
A.S. Ovchinnikov1, T.G. Koleboshina1,2, O.P. Varivoda2, N.G. Baibakova2
1 Волгоградский государственный аграрный университет 2 ФГБНУ «Быковская бахчёвая селекционная опытная станция Всероссийского научно-исследовательского института овощеводства, Волгоградская обл., Быковский р-н, п. Зеленый
1 Volgograd State Agricultural University
2Federal State Scientific Institution «Bykovskaya melon breeding experimental station of the All-Russian Scientific Research Institute of Horticulture»
Арбуз, как и все бахчевые культуры, является перекрёстноопыляющимся и относится по строению цветка к группе гейтеногамных растений. Основной способ опыления - ксеногамия, но возможно избирательно и автогамия. Эти сведения имеют большое значение в селекционной работе. Избирательность оплодотворения зависит от скорости роста пыльцевых трубок, обусловленной гаметофитными факторами. Поэтому целью исследования было определение жизнеспособности пыльцевых зерен и скорости роста пыльцевых трубок у различных сортов, гибридов F1, полиплоидов и диплоидов арбуза, позволяющие вести эффективный отбор перспективных форм уже на ранней стадии развития растений. В статье приводятся результаты исследования по изучению жизнеспособности пыльцевых зерен арбуза, энергии роста пыльцевых трубок в зависимости от комбинаций скрещивания, использование полиплоидов, диплоидов, материнской линии с цитоплазматиче-ской стерильностью, особенности пыльцы из гермафродитных цветков арбуза. Отмечено значительное превосходство жизнеспособности и энергии прорастания пыльцы у гибридов F1. Процент прорастания пыльцы превышал родительские сорта на 11,9-21,6 %, был значительно ускорен рост пыльцевых трубок. Автогамия у арбуза затруднена, но жизнеспособность пыльцевых зерен составила 66,6 %, рост пыльцевых трубок проходил очень замедленно, прорастание началось через 2-2,5 часа, многие из них растрескивались уже при незначительном прорастании. При изоляции герма-фродитные цветки оставались бесплодными. Семейство тыквенных развивалось в основном на диплоидном уровне. У культурного вида арбуза тетраплоидные и триплоидные формы как спонтанные, так и индуцированные не способны конкурировать с диплоидами даже в одинаковых условиях произрастания. Они развиваются замедленнее в ранней фазе развития, затем рост усиливается. У полиплоидов большее количество устьиц на листовой поверхности, они крупнее. Жизнеспособность пыльцы полиплоидов находится на одном уровне с диплоидами, но на 7-10 % уступает диплоидным гибридам F1. Энергия роста пыльцевых трубок также интенсивнее у гибридов F1. У три-плоидов не образуется достаточного количества жизнеспособной пыльцы, не более 14 %, поэтому необходим дополнительный опылитель, обычный диплоид. Рекомендуемое соотношение 2:1. Применение полученных результатов в практической селекции позволяет уже на ранней стадии цветения растений определить комбинации скрещивания для получения перспективных, планируемых образцов.
Watermelon, like all the melons, and is a cross-pollinating on flower structure refers to the group geytenogamic plants. The main method of pollination - xenogamy, but it is possible to selectivity and autogamy. These data are of great importance in breeding. The selectivity of fertilization depends on the rate
of growth of pollen tubes due gametophyte factors. Therefore, the aim of the study was to determine the viability of pollen grains and pollen tube growth rate in different varieties, hybrids F1, polyploid and diploid watermelon, enables efficient selection of promising forms at an early stage of plant development. The article presents the results of a study on the viability of the pollen grains watermelon pollen tube growth of energy depending on the crossing combinations, the use of polyploid, diploid, the maternal line with cyto-plasmic sterility, especially pollen from hermaphrodite flowers watermelon. There was a significant superiority of the vitality and energy of germination of pollen in F1 hybrids. The percentage of pollen germination exceeded the parental varieties to 11,9-21,6 %, was significantly accelerated the growth of pollen tubes. Autogamy in watermelon is difficult, but the viability of the pollen grains was 66.6 %, the growth of pollen tubes has been very slow motion, germination began after 2-2.5 hours, many of them are already cracked with a slight germination. When insulation hermaphrodite flowers were fruitless, Cucurbitaceae family developed largely at the diploid level. We kind of cultural watermelon tetraploid and triploid forms of both spontaneous and induced are not able to compete with diploids even in the same growing conditions. They develop a slowdown in the early phase of development, then growth is enhanced. Polyploids have greater number of stomata on the leaf surface, they are larger. The viability of pollen polyploids is on par with diploids, but 7-10% inferior diploid hybrids F1. Energy growth of pollen tubes also intense in F1 hybrids. Triploids have not formed a sufficient amount of viable pollen, not more than 14 %, so you need an additional pollinator, normal diploid. The recommended ratio of 2:1. Application of the results obtained in practical breeding allows already at an early stage of flowering plants to determine the combination of crossbreeding to produce promising planned samples.
Ключевые слова: гибрид, полиплоидия, диплоиды, пыльцевые трубки, жизнеспособность пыльцы.
Key words: hybrid, polyploidy, diploids, pollen tubes, pollen viability.
Введение. Биологическая проблема оплодотворения имеет первостепенное значение в селекции бахчевых культур.
В своих работах Н.И. Вавилов отмечал, что все бахчевые растения относятся к группе гейтеногамных, то есть растений однодомных, но с раздельнополыми цветками. Самоопыление в пределах растения возможно, автогамии при гермафродитных цветках не наблюдалось, не было случая партеногенеза [2]. Для селекции подобные сведения имеют большое значение, и работа была продолжена на Быковской бахчёвой опытной станции Ф.К. Лангельдом. В своих исследованиях он приходит к выводам, что главным способом опыления у арбуза является ксеногамия. Автогамия у арбуза затруднена и возможна не у всех сортов [5]. Это отмечено и в работах К.П. Синча [7]. Арбузы склонны к гейтеногамии (в пределах одного растения), при этом наблюдались сортовые различия. Дегенерация потомства при инцухте у арбуза отсутствовала, что позволяло создавать чистые сортовые линии.
В изучении процесса оплодотворения у растений выявлена способность избирательности соответствующей пыльцы. Впервые биологическое значение избирательности оплодотворения было отмечено Г. Дарвином [4]. Изучение генетики избирательности оплодотворения связано с возникновением и развитием менделизма [6]. Впервые отклонения от менделевского расщепления было обнаружено К. Корренсом [11] у кукурузы, американские генетики Мангельсдорф и Джонс выявили избирательное оплодотворение у томатов [12].
Многочисленные исследования подтвердили биологический эффект избирательного оплодотворения [8, 9].
Избирательность оплодотворения зависит от скорости роста пыльцевых трубок, обусловленной, в свою очередь, гаметофитными факторами.
Определение жизнеспособности пыльцевых зерен и скорости роста пыльцевых трубок у сортов, гибридов F1, полиплоидов и диплоидов арбуза явилось целью нашего
исследования, позволяющего вести эффективный отбор перспективных форм уже на ранней стадии развития растений.
Материалы и методы. Материалами исследования служила пыльца из цветков стерильной материнской линии Чшб с цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) и пыльца из фертильных цветков этой линии. Изучалась жизнеспособность пыльцы из отцовских линий арбуза, применяемых для получения гибридов сортов Икар, Рубин, Успех, а также полученных гибридов от скрещивания стерильной материнской линии Чшб с этими сортами.
Определялась жизнеспособность пыльцы из тетраплоидных форм арбуза, используемых для получения триплоидов.
Для подтверждения автогамии просматривалась жизнеспособность пыльцы у гермафродитных цветков арбуза.
Проращивание пыльцы проводили в искусственной питательной среде, состоящей из раствора: сахароза 15 % + агар-агар 2 % + борная кислота 0,0001 %. Каплю раствора с посеянной пыльцой помещаем во влажную камеру [10]. Находясь во влажной среде, капля не высыхала и концентрация сахарного раствора оставалась одинаковой. Посев проводили в трех каплях каждого варианта, просматривались в пяти полях зрения микроскопа при увеличении 7 х 10. Учет проводили через 30, 60 и 90 минут. Длину пыльцевых трубок измеряли в диаметре пыльцевого зерна.
Результаты и обсуждение. Арбуз, как и все бахчевые культуры, является перекрестноопыляющимся растением и относится по строению цветка к группе гейтеногамных растений. Отношение женских и мужских цветков изменчиво, зависит от метеорологических условий и места выращивания. В условиях Заволжья в среднем приходится на 20-25 женских цветков, 120-140 мужских. До появления первого женского цветка на растении арбуза образуется 15-20 мужских. В жаркие сухие годы женских цветков образуется 10-15 штук, и период цветения значительно удлиняется до 30-35 дней.
Для опыления лучшим временем в сухую жаркую погоду является 6-8 часов утра. Взятое в это время пыльца для анализа проявляет более высокую жизнеспособность и энергию прорастания. После 10-11 часов она теряет способность к прорастанию.
В наших исследованиях изучалась энергия прорастания пыльцевых зерен в сортолиниях разного срока созревания: раннеспелый сорт Успех, среднеспелый сорт Рубин и позднеспелый сорт Икар. Процент прорастания пыльцевых зерен был примерно на одном уровне и составил у раннего сорта 78,2, у среднего 82,6 и позднего 72,3. Рост пыльцевых трубок за один и тот же период время был интенсивнее у раннего и среднего сортов арбуза и отставал у позднего (таблица 1). Пыльца, используемая в получении гибридов материнской линии с мужской цитоплазматической стерильностью (ЦМС), не прорастала. Фертильная линия этого же образца давала вполне жизнеспособную пыльцу 92,5 % прорастания и интенсивный рост пыльцевых трубок от 4 до 16 диаметров пыльцевого зерна.
Жизнеспособность пыльцы гибридов Б1, полученных от скрещивания стерильной материнской линии Чшб с отцовскими линиями Успех, Рубин и Икар значительно превосходила исходные формы. Прорастание пыльцы начиналось через 15-20 минут после посева, у остальных через 35-45 минут. Уже через час из-за интенсивного роста и переплетения пыльцевых трубок провести подсчет было невозможно.
Процент прорастания пыльцы у гибридов составил 94,5-97,2, у исходных форм 72,3-82,6. Рост пыльцевых трубок превышал на 7-10 диаметров пыльцевых зерен у сортообразов (таблица 1).
Таблица 1 - Результаты проращивания пыльцевых зерен цветков арбуза в искусственной питательной среде 3
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1445), 2017
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Название образца Количество пыльцевых зерен, шт. Из них проросло, шт % прорастания Длина пыльцевых трубок в диаметре пыльцевого зерна
min max
Диплоиды
Линия Чms - фертильная 282 261 92,5 4,3 16,0
Линия Чms - стерильная 149 0 0 0 0
Успех 230 180 78,2 2,3 10,0
Л Чms х Успех F1 255 241 94,5 7,3 17,3
Рубин 259 214 82,6 5,6 10,6
Л Чms х Рубин F1 263 254 96,5 9,3 18,6
Икар 235 170 72,3 4,0 8,3
Л Чms х Икар F1 230 283 97,2 9,0 19,0
Пыльца гермафродитного цветка сорта Икар 27 18 66,6 1,5 8,2
Тетраплоиды
Mip 182 165 90,6 3,3 16,0
Pale 278 250 89,9 2,6 11,0
Триплоиды
Mip х Успех 57 8 14,0 2,0 5,6
Полученные данные показали, что уже в момент прорастания пыльцы можно выделить перспективные комбинации для скрещивания.
В основном арбуз является гейтеногамным растением, у которого мужские и женские цветки расположены на одной плети. Иногда женские цветки имеют рудименты андроцея в виде пыльников. Автогамия у арбуза весьма затруднена, но некоторые сорта способны к такому оплодотворению. При проращивании пыльцы гермафродит-ного цветка жизнеспособность пыльцевых зерен составила 66,6 %, рост пыльцевых трубок происходил очень медленно и составил через 2,5 часа 1,5-8,2 диаметра пыльцевого зерна, многие из них растрескивались уже при незначительном прорастании. При изоляции также гермафродитные цветки оставались бесплодными.
В эволюционном плане семейство тыквенных развивалось в основном на диплоидном уровне. У культурного вида арбуза тетраплоидные и триплоидные формы как спонтанные, так и индуцированные не способны конкурировать с диплоидными даже в равных условиях произрастания.
Они развиваются замедленнее диплоидов в начальной фазе [3]. Количество устьиц на листовой пластинке у тетраплоидов было значительно больше, они крупнее, чем у диплоидов в 1,5-2,0 раза и их, соответственно, было меньше в поле зрения микроскопа при увеличении 7 х 10 (таблица 2).
Таблица 2 - Количество устьиц диплоидных и тетраплоидных форм арбуза, 2016 г.
Название образца Поле зрения микроскопа Всего
I II III
Тетраплоиды 15 12 24 51
Диплоиды (рассеченнолистные) 24 28 25 79
Диплоиды (цельнолистные) 33 32 34 99
Разное количество устьиц наблюдалось у диплоидных образцов с рассеченной и цельной листовой пластинкой. У рассеченной формы устьица были крупнее, чем у цельнолистной формы и соответственно, у цельнолистной формы устьиц было больше (таблица 2).
По жизнеспособности пыльцы тетраплоиды и диплоиды находились на одном уровне, но на 7-10 % уступили диплоидным гибридам Б1. Рост пыльцевых трубок также значительно активнее у диплоидных гибридов F1. Прорастание пыльцы проходило замедленно, через 1 -1,5 часа после посева, максимальная длина пыльцевых трубок составляла 11 -16 диаметров пыльцевого зерна.
При скрещивании тетраплоидов с диплоидами нет генетических и биологических барьеров. Получаемые от такого скрещивания триплоиды не завязывают семян, но формируют нормальные плоды, обладающие улучшенными вкусовыми достоинствами. У триплоидов не образуется достаточного количества пыльцы и жизнеспособность ее низкая, около 14 % (таблица 1), поэтому необходим дополнительный опылитель, обычный диплоид. Рекомендуемое соотношение триплоидного гибрида и опылителя 2 : 1 [12]. Подбор опылителя триплоидов в засушливых условиях Волгоградского Заволжья требует дальнейшего изучения.
Заключение. Данные проведенных исследований показали, что основным способом опыления у арбуза является ксеногамия. Проявился эффект избирательного оплодотворения, который зависит от жизнеспособности пыльцы и скорости роста пыльцевых трубок.
Эффективная жизнеспособность пыльцы была у перспективных гетерозисных гибридов F1, процент проросших пыльцевых зерен и интенсивность роста пыльцевых трубок значительно выше (на 10-20 %) исходных родительских образцов. Это позволяет уже на ранней стадии вести отбор перспективных форм.
Пыльца гермафродитных цветков при достаточном прорастании (до 60 %) имела очень медленный рост трубок, которые в большинстве своем быстро растрескивались. Сформировавшиеся пыльцевые трубки дают возможность к автогамному оплодотворению. Подтвердилось замедленное развитие тетраплоидов арбуза уже на уровне изучения жизнеспособности пыльцы. Полученные триплоиды образовали незначительное количество пыльцы, недостаточное для опыления, отсюда необходимость применения сорта опылителя.
Библиографический список
1. Быковский, Ю.А. Технология производства бахчевых [Текст]/ Ю.А. Быковский, Т.Г. Колебошина // Картофель и овощи. - 2016. - № 10. - С. 11-13.
2. Вавилов, Н.И. Бахчевые культуры [Текст]/Н.И. Вавилов// Избранные труды. т. II. - М.-Л., 1960. - С. 292-329.
3. Варивода, Е.А. Получение исходного материала для создания триплоидных (бессемянных) гибридов арбуза [Текст]/Е.А. Варивода, Т.Г. Колебошина// Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. -№ 3 (39). - С. 94-96.
4. Дарвин, Ч. Действие перекрестного опыления и самоопыления в растительном мире [Текст]/Ч. Дарвин. - М.: Сельхозиздат, 1939. - С. 314-321.
5. Лангельд, Ф.К. К биологии цветения и оплодотворения у тыквенных [Текст] /Ф.К. Лангельд// Труды Быковской зональной станции бахчеводства. - Саратов, 1935. - Вып. 2. - С. 47-67.
6. Мюнтцинг, А. Генетика. Общая и прикладная [Текст] /А. Мюнтцинг. - М., 1967. - С.
88-91.
7. Синча, К.П. Некоторые биологические особенности цветения арбуза и приемы гибридизации в условиях Заволжья [Текст] /К.П. Синча// Научные труды Быковской бахчёвой опытной станции. - Волгоград, 1969. - Вып. 5. — С. 133-139.
8. Скупова О.П. Избирательность оплодотворения и гетерозиса в потомстве [Текст]/О.П. Варивода// Сельскохозяйственная биология. - 1970. - №1. - С. 133-134.
9. Татаринцев, А.С. Селективность оплодотворения у томата при различном
количественном отношении компонентов смеси пыльцы [Текст]/ А.С. Татаринцев// Генетика. -Т. XXIV. - М., 1988. - С. 766-768.
10. Юрцев, В.Н. Руководство к лабораторно-практическим занятиям по цитогенетической и эмбриологической микротехнике [Текст]/ В.Н. Юрцев. - М., 1961. - С. 41-46.
11. Correns C. Scheinbare Ausnahme von der Mendelschen Spaltungsregel fur Bastarbe. Bet. Dtsch. Bot. Qes. - 1902. - № 20. - S. 159.
12. Mangelsdorf P.S., Jones D.F. The expression of Mendelian factors in the gametjphyte of maize. Genetis. - 1926. - 11. - № 5. - S. 192-216.
Reference
1. Bykovskij, Yu. A. Tehnologiya proizvodstva bahchevyh [Tekst]/ Yu. A. Bykovskij, T. G. Koleboshina // Kartofel' i ovoschi. - 2016. - № 10. - S. 11-13.
2. Vavilov, N. I. Bahchevye kul'tury [Tekst]/N. I. Vavilov// Izbrannye trudy. t. II. - M.-L., 1960.- S. 292-329.
3. Varivoda, E. A. Poluchenie isxodnogo materiala dlya sozdaniya triploidnyh (bessemyannyh) gi-bridov arbuza [Tekst]/E. A. Varivoda, T. G. Koleboshina// Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversi-tetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2015. - № 3 (39). - S. 94-96.
4. Darvin, Ch. Dejstvie perekrestnogo opyleniya i samoopyleniya v rastitel'nom mire [Tekst]/Ch. Darvin. - M.: Sel'hozizdat, 1939. - S. 314-321.
5. Langel'd, F. K. K biologii cveteniya i oplodotvoreniya u tykvennyh [Tekst] /F. K. Langel'd// Trudy Bykovskoj zonal'noj stancii bahchevodstva. - Saratov, 1935. - Vyp. 2. - S. 47-67.
6. Myuntcing, A. Genetika. Obschaya i prikladnaya [Tekst] /A. Myuntcing. - M., 1967. - S. 88-91.
7. Sincha, K.P. Nekotorye biologicheskie osobennosti cveteniya arbuza i priemy gibridizacii v usloviyah Zavolzh'ya [Tekst] /K. P. Sincha// Nauchnye trudy Bykovskoj bahchjovoj opytnoj stancii. -Volgograd, 1969. - Vyp. 5. - S. 133-139.
8. Skupova. O. P. Izbiratel'nost' oplodotvoreniya i geterozisa v potomstve [Tekst]/O. P. Varivoda // Sel'skohozyajstvennaya biologiya. - 1970. - №1. - S. 133-134.
9. Tatarincev, A. S. Selektivnost' oplodotvoreniya u tomata pri razlichnom kolichestvennom otnoshenii komponentov smesi pyl'cy [Tekst]/ A. S. Tatarincev// Genetika. - T. XXIV. - M., 1988. -S. 766-768.
10. Yurcev, V. N. Rukovodstvo k laboratorno-prakticheskim zanyatiyam po citogeneticheskoj i ]mbriologicheskoj mikrotehnike [Tekst]/ V. N. Yurcev. - M.. 1961. - S. 41-46.
11. Correns. C. Scheinbare Ausnahme von der Mendelschen Spaltungsregel fur Bastarbe. Bet. Dtsch. Bot. Qes. - 1902. -- 20. - s.159.
12. Mangelsdorf P.S., Jones D.F. The expression of Mendelian factors in the gametjphyte of maize. Genetis. - 1926. - № 5- 11. - S.192-216.
E-mail: [email protected]
