CC BY
59
Известия ТСХА, выпуск 6, 2014 год
УДК 633.11:581.162.4(470.31)
ОСОБЕННОСТИ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ У ТРИТИКАЛЕ (xTRITICOSECALE WITTM.)
В.С. РУБЕЦ, О.В. МИТРОШИНА, В.В. ПЫЛЬНЕВ (РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)
Проведено изучение избирательности оплодотворения сортообразцов озимой гекса-плоидной тритикале косвенным и прямым методами. Первый заключался в оценке степени прорастания собственной и чужой пыльцы на рыльцах пестиков, а также в сравнении динамики роста пыльцевых трубок собственных и чужих гаметофитов в тканях рылец. Об избирательности оплодотворения прямым методом судили по соотношению негибридных и гибридных растений в потомстве от опыления кастрированных цветков смесью пыльцы, состоящей из собственной пыльцы и пыльцы другого сорта тритикале. Для сравнения были изучены пшеница и рожь. Показано, что у изучаемых сортов тритикале прогамная фаза оплодотворения происходит так же, как у пшеницы. Не выявлено признаков самонесовместимости, как у ржи. Сорта тритикале различаются по избирательности оплодотворения в постгамную фазу. Причиной этого может быть пониженная фертильность пыльцы, благоприятные метеорологические условия или повышенное хазмогамное цветение.
Ключевые слова: тритикале, пшеница, рожь, цветение, избирательность оплодотворения, прогамная фаза оплодотворения, постгамная фаза оплодотворения.
Величайшим достижением в области генетики и селекции растений является создание новой зерновой культуры — тритикале [6, 16]. За последние годы в селекции этой культуры достигнуты большие успехи. Созданы коммерческие сорта, у которых преодолены многие недостатки, свойственные культуре на начальных этапах ее становления, такие как позднеспелость, высокорослость, деформированное зерно. Однако остались нерешенные проблемы [1, 2], в частности, касающиеся биологии цветения тритикале, которая определяет методологию селекционной и семеноводческой работы с ней [14-16]. Изучение биологии цветения тритикале проводили, в основном, в середине XX века, когда в производство начали внедрять сорта этой культуры. Было показано, что у тритикале процессы, происходящие при цветении, опылении и оплодотворении сходны с пшеницей [18]. У тритикале отмечены три типа цветения — открытый (хазмогамный), закрытый (клейстогамный) и комбинированный. Основным типом цветения является хазмогамный [11, 23, 25]. При этом основным способом опыления является автогамия [18, 21, 27]. Поскольку в период массового цветения злаков воздух насыщен пыльцой, то на рыльца пестиков наряду с собственной попадает пыльца других сортов. В итоге в чистосортных посевах тритикале появляются нетипичные растения, которые могут быть результатом спонтанной гибридизации. По данным разных авторов, число спонтанных гибридов тритикале варьируется в пределах 1-20% [5, 6, 12, 22].
15
Благоприятный исход оплодотворения зависит от многих причин, в т.ч. от жизнеспособности и совместимости женского и мужского гаметофитов, проявляющихся в прогамную фазу оплодотворения [18, 20, 24, 26, 28].
Какая пыльца в итоге будет участвовать в образовании семени, зависит от избирательности оплодотворения. У растений под избирательностью оплодотворения понимают способность пестика предпочитать собственную либо чужую пыльцу в прогамную фазу оплодотворения. Весь процесс оплодотворения принято разделять на фазы: прогамную (от попадания пыльцевого зерна на рыльце до вхождения пыльцевой трубки в микропиле), собственно двойное оплодотворение и постгамную (от оплодотворения до формирования семени) [3, 10, 19].
Предпочтение собственной или чужеродной пыльцы может выражаться в более раннем прорастании пыльцевых зерен, в более энергичном росте пыльцевых трубок, их большей длине и т.п., и в итоге — в появлении в чистосортном посеве гибридных растений.
Данное исследование посвящено изучению избирательности оплодотворения у сортообразцов озимой гексаплоидной тритикале, проявляющейся в прогамную и постгамную фазы оплодотворения. предполагается, что при избирательности пыльцы у изучаемого сортообразца будут наблюдаться следующие явления: 1. на рыльцах пестиков будет быстрее прорастать та пыльца, которая более предпочтительна для осуществления оплодотворения; 2. предпочитаемые микрогаметофиты будут иметь более крупные размеры, большее содержание водорастворимых веществ, более длинные пыльцевые трубки; 3. при опылении смесью пыльцы кастрированных цветков в потомстве будут преобладать гибридные или негибридные растения в зависимости от того, какая пыльца более предпочтительна (собственная или чужеродная). Отсутствие избирательности оплодотворения приведет к примерно одинаковой доле гибридных и негибридных растений у потомства. Сдвиг равновесия в сторону преобладания любой группы растений будет означать наличие избирательности своей либо чужеродной пыльцы.
Материал и методика
Исследование проводилось на кафедре генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства и селекционной станции имени П.И. Лисицына Российского Государственного аграрного университета МСХА имени К.А. Тимирязева в 2011-2013 гг.
Метеорологические условия, сложившиеся в период цветения озимой тритикале в 2012 г., можно охарактеризовать как более благоприятные для успешного осуществления процессов цветения, опыления и оплодотворения, чем в другие годы.
В качестве объектов для изучения способности рылец выбирать пыльцу своего или другого сорта использовали сортообразцы озимой гексаплоидной тритикале с рецессивными признаками (белый колос, неопушенные колосковые чешуи): Валентин (РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева), линия 21759/97 (Донской зональный НИИСХ, Ростовская область), Гермес (Московский НИИСХ «Немчиновка»). Для оценки избирательности оплодотворения у этих сортообразцов в качестве опылителей использовали сорта с доминантными признаками (красная окраска колоса, опушенные колосковые чешуи) — Водолей, Торнадо (Донской зональный нИИСХ, Ростовская область) и Presto (Польша). Для сравнения избирательности оплодотворения у тритикале эксперимент дополнен исследованиями родительских видов — сортов озимой ржи Альфа (Московский нИИСХ «немчиновка») и Снежана (нИИСХ
16
Северо-Востока) и сортов озимой пшеницы Московская 39 (Московский НИИСХ «Немчиновка») и Гармония (Белоруссия).
Для характеристики изучаемых объектов была проведена оценка степени развития их репродуктивной сферы и микрогаметофитов. Для этого были определены завязываемость зерен у интактных колосьев и при изоляции для оценки склонности изучаемых сортов к самоопылению, степень хазмогамии (как процент открыто цветущих цветков в колосе и отдельном цветке колоска), размеры пыльцы (длина и ширина, выборка 500 пыльцевых зерен), ее фертильность [8] и содержание в ней водорастворимых веществ [7].
Пыльцевое зерно измеряли в двух экваториальных плоскостях. Площадь продольного среза пыльцы определяли по формуле площади эллипса:
S= nab,
где п = 3,14; a — длина большой полуоси (т.е. половина длины пыльцевого зерна); b — длина малой полуоси (т.е. половина ширины пыльцевого зерна).
Объем пыльцевого зерна определяли по формуле объема эллипсоида:
V = 4nabc
3 ,
где п = 3,14; a — длина большой полуоси (т.е. половина длины пыльцевого зерна); b — длина малой полуоси (т.е. половина ширины пыльцевого зерна): с — половина толщины пыльцевого зерна. Здесь мы сделали некоторое допущение, предположив, что b = с.
Принцип метода определения содержания водорастворимых веществ в пыльце заключался в следующем: из пыльцы массой около 0,01 г был приготовлен экстракт с использованием 25 мл дистиллированной воды, который настаивался в течение 1 ч, после чего его профильтровали через обеззоленные фильтры. Фильтры с остатками пыльцы были высушены до постоянной массы. Количество водорастворимых веществ в пыльце, перешедших в раствор, определяли по разнице масс фильтра с пыльцой до и после фильтрования.
основное исследование состоит из двух частей: лабораторного эксперимента по определению избирательности в прогамную фазу оплодотворения и полевого — в постгамную фазу.
В фазу колошения проводили кастрацию цветков у белоколосых образцов тритикале, обоих сортов ржи и пшеницы; изоляцию колосьев опылителей для осуществления самоопыления (у ржи — это другой колос на том же растении, где кастрирован колос) и перекрестного опыления. У ржи на каждом опытном растении оставляли под изолятором один колос для проверки наличия самонесовместимости.
Лабораторный эксперимент заключался в определении степени прорастания пыльцы на рыльцах пестиков в прогамную фазу оплодотворения. В фазу цветения срезали кастрированные колосья тритикале, ржи и пшеницы по мере их готовности к цветению. В лаборатории часть колосьев опыляли собственной пыльцой, а часть — пыльцой других сортов. Использовали твел-метод опыления [13]. В таблице 1 приведены комбинации опыления опытных образцов.
Через 20, 45, 60, 90, 120 мин опыленные колосья фиксировали уксусным алкоголем (96%-ный спирт: ледяная уксусная кислота в соотношении 3:1) [8]. Затем проводили подсчет общего числа пыльцевых зерен, попавших на рыльце, числа проросших
17
Т а б л и ц а 1
Комбинации опыления образцов, включенных в эксперимент по изучению избирательности оплодотворения
Культура Материнский сорт Опылители
самоопыление перекрестное опыление
Тритикале Линия 21759/97 Линия 21759/97 Presto Торнадо
Валентин Валентин Presto Торнадо
Гермес Гермес Водолей Торнадо
Рожь Альфа Альфа Снежана —
Снежана Снежана Альфа —
Пшеница Московская 39 Московская 39 Инна —
Гармония Гармония Московская 39 —
пыльцевых зерен под микроскопом «Primostar», а также измеряли длину пыльцевых трубок на временных гистологических препаратах. Отдельно подсчитывали число пыльцевых трубок с аномалиями роста. Приготовление препаратов осуществляли по методике [9]. Готовые временные препараты просматривали под флуоресцентным микроскопом «Ах^сор 40». При освещении ультрафиолетовым светом пыльцевые трубки имеют желто-зеленую окраску, они хорошо видны как на поверхности, так и внутри ткани рылец (рис. 1).
Под микроскопом измеряли длину пыльцевых трубок на 50 временных препаратах (примерно 500-600 пыльцевых трубок на каждый вариант опыления, 6 колосьев на вариант опыления, 30 колосьев — на каждый материнский сорт, контроль — вариант с опылением пыльцой собственного сорта).
Полевой эксперимент заключался в опылении кастрированных цветков бело-колосых сортообразцов тритикале смесью пыльцы собственного образца и красно-колосого сорта. В потомстве от каждого сорта были подсчитаны белоколосые и крас-ноколосые растения.
■'i j |
I
#Ч *
Рис. 1. Прорастание пыльцевых зерен тритикале на рыльцах пестиков
18
Оценку избирательности оплодотворения проводили прямым и косвенным методами. Косвенный метод заключался в сравнении вариантов от самоопыления и перекрестного опыления по динамике роста пыльцевых трубок, проценту проросших пыльцевых зерен на рыльцах, соотношению нормально растущих пыльцевых трубок с разной длиной (коротких, средних и длинных), соотношению пыльцевых трубок с аномалиями роста. Прямой метод — по соотношению белоколосых и крас-ноколосых растений тритикале, полученных от опыления белоколосых образцов смесью пыльцы. Сравнение полученных данных проводили при помощи ^критерия Стьюдента, х2 и с помощью дисперсионного анализа [4]. При необходимости данные
были преобразованы в угол-арксинус л/процент . На графиках приведены средние и значения наименьшей существенной разности в тех случаях, когда имелись достоверные различия.
Результаты и их обсуждение
Характеристика прогамной фазы оплодотворения у ржи и пшеницы
Как известно, рожь и пшеница являются родительскими видами для тритикале. Они различаются по способу опыления. Характеристика особенностей их прогамной фазы оплодотворения может помочь в определении критериев, по которым можно было бы судить о предпочтении тритикале собственной или чужой пыльцы.
Оценка прогамной фазы оплодотворения у ржи
Рожь является культурой с облигатным перекрестным опылением, чему способствует жесткая гаметофитная самонесовместимость. При таком типе самонесовместимости собственные пыльцевые зерна порастают на рыльце пестика, но рост их пыльцевых трубок тормозится внутри проводникового тракта благодаря экспрессии двух несцепленных локусов самонесовместимости S и 2, представленных множественными аллелями. Продукты экспрессии (гликопротеиды) локализованы в межклеточном веществе проводникового тракта (Lundqvist, цит по [19]).
Таким образом, включение сортов ржи в эксперимент позволяет увидеть торможение роста пыльцевых трубок внутри ткани рыльца при самоопылении и их нормальный рост при перекрестном опылении. Это позволит оценить избирательность оплодотворения у тритикале.
Включенные в эксперимент сорта озимой ржи Альфа и Снежана были подвергнуты самоопылению для оценки степени самонесовместимости. У обоих сортов отмечена высокая завязываемость зерен при перекрестном опылении (76-79%) и низкая — при самоопылении (около 3%). Это говорит о высоком уровне самонесовместимости изучаемых сортов ржи.
При самоопылении рост пыльцевых трубок у обоих сортов тормозится уже при экспозиции в 45 мин от опыления. И в дальнейшем их рост почти не наблюдался (рис. 2). Тогда как при перекрестном опылении происходит удлинение пыльцевых трубок при увеличении времени от опыления цветков до их фиксации. Самонесовместимость проявляется в подавлении роста собственных пыльцевых трубок внутри проводникового тракта в течение 45 мин.
одним из критериев предпочтения собственной или чужой пыльцы может быть наличие большого количества длинных или коротких пыльцевых трубок при соответствующем типе опыления. Главным критерием для подразделения пыльцевых на условно длинные, короткие и средние является в нашем эксперименте длина
19
Рис. 2. Динамика роста пыльцевых трубок озимой ржи при различных способах опыления
пыльцевых трубок ржи при максимальной экспозиции — 120 мин с момента опыления. В этой точке самыми длинными являются пыльцевые трубки при перекрестном опылении сорта Альфа, а самыми короткими — при самоопылении сорта Снежана. Поэтому к условно длинным предлагаем отнести пыльцевые трубки, длина которых превышает половину средней длины пыльцевых трубок при перекрестном опылении у сорта Альфа (95,2 мкм). К коротким — длина которых менее средней длины пыльцевых трубок при самоопылении сорта Снежана (49,8 мкм). К средним — все остальные, длина которых находится в интервале 49,8-95,2 мкм.
Такой способ использовался нами для оценки избирательности оплодотворения у всех изученных культур независимо от типа опыления.
Кроме того, было определено содержание пыльцевых трубок с аномалиями роста (спирально закрученных, с утолщением на конце и др.), что также может быть критерием для оценки избирательности оплодотворения, характеризующим способ подавления тканями проводникового тракта роста нежелательной пыльцы. предполагается, что рожь как перекрестноопыляющаяся культура в ответ на самоопыление будет реагировать образованием значительного количества аномальных пыльцевых трубок, тогда как при перекрестном опылении большинство пыльцевых трубок будут без нарушений роста.
выяснилось, что у ржи при самоопылении содержание длинных пыльцевых трубок (ДПТ) достоверно ниже, чем при перекрестном опылении. При этом их доля не увеличивается с течением времени. Тогда как при перекрестном опылении их доля растет с увеличением экспозиции (рис. 3а). Доля коротких пыльцевых трубок при перекрестном опылении ржи ниже, чем при самоопылении (рис. 3б). Это объясняется тем, что с течением времени короткие трубки при неподавленном росте переходят в категорию длинных. И при обоих способах опыления идет снижение доли коротких пыльцевых трубок. По содержанию пыльцевых трубок средней длины ясной картины нет (рис. 3в). Относительная доля пыльцевых трубок с аномалиями роста при самоопылении выше, чем при перекрестном опылении. При этом с течением времени при перекрестном опылении не отмечено значительного их увеличения (рис. 3г).
Подводя итог изучению особенностей прогамной фазы оплодотворения у ржи, в качестве относительно надежных критериев оценки избирательности оплодотво-
20
£
а 5 50
л й
§ £ 40
а °
* 30
з а
■ самоопыление
■ пере местное опыление
45 60 90 120
Время от опыления, мин
90
80
г
¥ 70
а
>> ВО
50
р. н 40
X 30
& а 20
н 10
с 0
- самоопыление
- перекрестное опыление
45
60
90
Время от опыления, мин
ю
а/ ш « £г
о ? 5
г 1 Л э
■ самоопыление - перекрестное опыление
45 60 90
Время от опыления, мин
§ Й 15
- самоопыление
- перекрестное опыление
45 60 90
Время от опыления, мин
Рис. 3. Динамика содержания: а) длинных пыльцевых трубок; б) коротких пыльцевых трубок; в) средних пыльцевых трубок; г) пыльцевых трубок с аномалиями роста у ржи при различных способах опыления
рения у нее можно назвать среднюю длину пыльцевых трубок при всех экспозициях проращивания пыльцы и долю длинных пыльцевых трубок. Остальные критерии оказались ненадежными.
Критерием самонесовместимости можно считать наличие коротких, очень медленно растущих пыльцевых трубок внутри проводникового тракта пестика.
Эти критерии использованы нами в дальнейшем для оценки избирательности оплодотворения у тритикале.
Характеристика прогамной фазы оплодотворения у пшеницы
У пшеницы длина пыльцевых трубок примерно одинакова как при самоопылении, так и при опылении чужеродной пыльцой независимо от способа опыления (рис. 4). Однако при самоопылении пыльцевые трубки несколько длиннее. Это может свидетельствовать о некотором предпочтении рыльцами собственной пыльцы.
Рис. 4. Динамика роста пыльцевых трубок в тканях пестиков озимой пшеницы при различных способах опыления
Анализ соотношения пыльцевых трубок разной длины показал, что во всех случаях независимо от способа опыления наблюдается сходная картина (рис. 5). Содержание длинных пыльцевых трубок повышается с увеличением времени от опыления до фиксации цветков, содержание коротких и средних уменьшается. При этом не отмечено значимых различий по этим показателям при самоопылении и перекрестном опылении. Только через 120 мин при самоопылении содержание длинных пыльцевых трубок достоверно выше. По содержанию пыльцевых трубок с аномалиями роста не выявлено достоверных различий при обоих способах опыления. Однако при самоопылении их доля несколько ниже, что также может свидетельствовать в пользу предпочтения собственной пыльцы.
Таким образом, рассмотрение прогамной фазы оплодотворения пшеницы выявило отсутствие достоверных различий по представленным показателям при опылении собственной и чужеродной пыльцой. При этом имеются указания на некоторое предпочтение собственной пыльцы.
Поэтому на основании полученных данных невозможно указать критерий, по которому можно было бы получить достоверную информацию о предпочтении чужеродной или собственной пыльцы рыльцами пестиков озимой пшеницы.
22
■ самоопыление - перекрестное опыление
Время от опыления, мин
: # 15
■ самоопыление - перекрестное опыление
45
60
90
Время от опыления, мин
& >> 10
Ш О »л о
а ю ®
■ самоопыление - перекрестное опыление
45 60 90
Время от опыления, мин
I # 30
■ самоопыление - перекрестное опыление
45 60 90
Время от опыления, мин
Рис. 5. Динамика содержания: а) длинных пыльцевых трубок; б) коротких пыльцевых трубок; в) средних пыльцевых трубок; г) пыльцевых трубок с аномалиями роста у пшеницы при различных способах опыления
[N2
00
Характеристика сортов тритикале по степени развития репродуктивной сферы
Важной характеристикой репродуктивной сферы является оценка склонности сортов к перекрестному опылению (аллогамии). Она может выражаться в сильной реакции на принудительное самоопыление, а также в повышенном содержании открыто цветущих (хазмогамных) цветков в колосе. Однако само по себе хазмогамной цветение еще не говорит о предпочтении рыльцами чужой пыльцы, а лишь повышает вероятность ее попадания. Особенно важно в этом плане сравнить сорта, пыльца которых будет использована для оценки избирательности оплодотворения.
Из изученных материнских белоколосых сортов у л. 21759/97 и Гермеса отмечена пониженная завязываемость зерен при изоляции колосьев в фазу цветения (рис. 6). Это может свидетельствовать в пользу их склонности к аллогамии. По содержанию хазмогамных цветков в колосе материнские сорта и их опылители не различаются (рис. 7).
70
ш" 60
^
&
и 50 л
е 40
о
« 30
Ей
П 20
г
10
0
м
Ц самоопыление
Л.21759/97 Валентин Гермес Ргез1о Водолей Торнадо
Рис. 6. Завязываемость зерен в колосе сортообразцов тритикале при разных способах опыления
Л.21759/97
Гермес
Водолей
Торвад о
Рис. 7. Характеристика открытого цветения сортообразцов тритикале
Нами была проведена оценка гаметофитов материнских сортов и их опылителей по размерам пыльцевых зерен, содержанию в них водорастворимых веществ, фертильности.
по размерам пыльцевых зерен все материнские формы не отличаются от их опылителей (рис. 8а, б). При этом наиболее крупная пыльца сформировалась у сорта Валентин.
40
0
24
Л.21759/97
Гермес
Водолей
Торнадо
я э
¡1
Линия 21759/97
Гермес
Водолей Торнадо
«121759,97
Гермес
Водолей
Торнадо
в г
Рис. 8. Характеристика пыльцы сортообразцов тритикале: а) средний диаметр пыльцевого зерна, мкм; б) средний объем пыльцевого зерна, мкм3; в) содержание водорастворимых веществ в пыльце, %; г) фертильность, %
[N2 О!
Пониженное содержание водорастворимых веществ в пыльце отмечено только у сорта Торнадо (рис. 8в). Остальные сорта не различаются достоверно по этому показателю.
Фертильность пыльцы у всех изученных сортов высокая (рис. 8г). Различия по этому показателю отмечены только у л. 21759/97 и ее опылителя Presto. Остальные материнские белоколосые сорта не отличаются по фертильности от своих опылителей.
Это значит, что взятые в опыт материнские сорта и их опылители имеют равноценную пыльцу, что позволяет использовать ее для решения поставленных задач.
Характеристика прогамной фазы оплодотворения озимой гексаплоидной тритикале
Ниже приведены результаты изучения избирательности оплодотворения у сор-тообразцов озимой тритикале, проявляющейся в прогамную и постгамную фазы оплодотворения.
предполагается, что при избирательности пыльцы у изучаемого сортообразца будут наблюдаться следующие явления:
1) на рыльцах пестиков будет быстрее прорастать та пыльца, которая более предпочтительна для осуществления оплодотворения;
2) у материнских форм, склонных к аллогамии, возможно наличие самонесовместимости;
3) предпочитаемые микрогаметофиты будут иметь более крупные размеры, большее содержание водорастворимых веществ, более длинные пыльцевые трубки;
4) при опылении смесью пыльцы кастрированных цветков в потомстве будут преобладать гибридные или негибридные растения в зависимости от того, какая пыльца более предпочтительна (собственная или чужая). Отсутствие избирательности оплодотворения приведет к примерно одинаковой доле гибридных и негибридных растений у потомства. Сдвиг равновесия в сторону преобладания любой группы растений будет означать наличие избирательности своей либо чужой пыльцы.
поскольку тритикале является гибридом пшеницы и ржи, прорастание ее пыльцы может быть похожим на одну из родительских форм, а может быть особенным, характерным для тритикале. Могут иметь место сортовые особенности. Поэтому для характеристики прогамной фазы оплодотворения тритикале приведены результаты по каждому из материнских сортов, а также в целом по культуре (в среднем за годы исследований).
Пыльцевые трубки всех гаметофитов тритикале независимо от материнского сорта и способа опыления сильно удлиняются со временем. Это свидетельствует об отсутствии у изученных материнских сортов самонесовместиости. По длине пыльцевых трубок на рыльцах пестиков материнских сортов тритикале при самоопылении и перекрестном опылении достоверных различий не наблюдается (в среднем по годам). Однако отмечена некоторая сортоспецифичность (рис. 9).
У л. 21759/97 в первые 20 мин прорастания собственные мужские гаметофиты имеют более длинные пыльцевые трубки, чем пыльца опылителей (рис. 9а). Затем рост пыльцевых трубок опылителей идет с опережением, и они превышают по длине собственные.
У сорта Валентин пыльцевые трубки собственного сорта и сорта Presto растут с одинаковой скоростью. А вот у гаметофитов Торнадо рост пыльцевых трубок идет более интенсивно (рис. 9б).
26
tt
250
в.
ü 200
S 150 9
Л В а В
s ч н
20 | 45 | 60 | 90 | 120 Время отопыления до фиксации, мин
-Пьшьца л. 21759/97 -Пыльца Presto Пыльца Торнадо
-Пыльщ Валентна -Пыльца Presto Пыльщ Торнадо
45 | 60 | 90 | 120 Время отопыления до фиксанщ мш
-Пьшьца Гермеса -Пьшьца Presto Пьшьца Торнадо
45 | 60 | 90 Время отопыления до фиксации мин
В
350
250
150
20 | 45 | 60 | 90 | 120
Время отопыления до фиксации мин
-Самоопыление -Перекрестное опыление
Рис. 9. Динамика роста пыльцевых трубок в тканях пестиков белоколосых сортов тритикале при разных способах опыления: а ■ теринский сорт л. 21759/97; б — материнский сорт Валентин; в — материнский сорт Гермес; г — в целом по культуре
■ ма-
У собственных гаметофитов сорта Гермес длина пыльцевых трубок превосходит обоих опылителей в течение всего времени проращивания (рис. 9в). Хотя в среднем по годам различия по длине пыльцевых трубок при разных способах опыления недостоверны, в каждом конкретном году они были статистически значимы.
Отмечена достоверная положительная корреляция между размерами пыльцевых зерен (диаметром и объемом) и длиной пыльцевых трубок в течение всего периода проращивания (табл. 2).
Т а б л и ц а 2
Коэффициенты корреляции между размерами пыльцевых зерен и длиной пыльцевых трубок тритикале
Размер пыльцевого зерна Время от опыления прокастрированных цветков до их фиксации, мин
20 45 60 90 120
Диаметр, мкм 0,65 0,81** 0,69* 0,77* 0,73*
Объем, 103 мкм3 0,67* 0,88** 0,69* 0,77* 0,72*
В целом, по культуре тритикале пыльцевые трубки по длине примерно одинаковы при самоопылении и при перекрестном опылении с небольшим преимуществом собственных гаметофитов (рис. 9г). Не выявлено признаков самонесовместимости. Полученные по культуре тритикале результаты аналогичны наблюдаемым у пшеницы.
Содержание пыльцевых трубок разной длины может быть признаком предпочтения какой-либо пыльцы. По результатам оценки этого показателя у ржи можно предположить, что при перекрестном опылении рост пыльцевых трубок не подавлен, поэтому содержание длинных пыльцевых трубок в этом случае будет выше, чем при самоопылении. Причем с течением времени все больше пыльцевых трубок становятся длинными, при этом содержание коротких и средних должно уменьшаться.
На рис. 10 представлена динамика содержания длинных пыльцевых трубок на рыльцах изучаемых материнских сортов тритикале. У всех сортов содержание длинных пыльцевых трубок возрастает со временем.
У сортов Валентин (рис. 10б) и Гермес (рис. 10в) содержание ДПТ при самоопылении резко возрастает через 45 мин, а при перекрестном несколько отстает. Это говорит в пользу предпочтения собственной пыльцы рыльцами пестиков у этих сортов.
У л. 21759/97 содержание ДПТ при самоопылении возрастает плавно, почти одинаково с вариантом опыления пыльцой Торнадо (рис. 10а). Зато при опылении пыльцой Presto содержание ДПТ резко возрастает с течением времени. Это может косвенно свидетельствовать о предпочтении рыльцами пестиков л. 21759/97 чужеродной пыльцы (только одного сорта).
В целом, по культуре тритикале не отмечено достоверных различий по содержанию длинных пыльцевых трубок при самоопылении и при перекрестном опылении (рис. 10г). Только при экспозиции в 120 мин от опыления содержание длинных пыльцевых трубок при перекрестном опылении достоверно выше, чем при самоопылении. Аналогичную картину наблюдали у пшеницы. Признаков самонесовместимости не отмечено.
28
-Пыльца л. 21759/97 -Пыльца Presto Пыльца Торнадо
45 | 60 | 90 | 120 Время отопьшения до фиксации, мин
к 40
п
Я
¡5 30
В ьо 25
К ь-
3 Í 20
г ю
I 5
Л П
ф и
и
о
и
Время отопьшения до фиксации, мин
- Пьшьщ Валентина -Пьшьщ Presto Пьшьщ Торнадо
5 50
А
В ,0
аад
Я -
¡i30 I а
Н * 9П
20
120
Время отопьшения до фиксации, мин
-Пьшьца Гермеса - Пьшьца Presto Пьшьца Торнадо
3 Й
20 45 | 60 90 5ремя отопьшения до фиксации мин 120
-Самоопыление -Перекрестное опьшение
в Г
Рис. 10. Динамика содержания длинных пыльцевых трубок на рыльцах тритикале при различных способах опыления; а, б, в, г —
как на рис. 9
[N2 г
По содержанию коротких пыльцевых трубок на рыльцах тритикале при самоопылении и при перекрестном опылении во всех случаях отмечена картина, аналогичная пшенице — с течением времени идет снижение показателя независимо от способа опыления (рис. 11). В этом случае не выявлено никаких предпочтений.
Содержание средних пыльцевых трубок в целом снижается со временем (рис. 12) аналогично тому, что было отмечено у пшеницы. По каждому конкретному сорту ничего определенного сказать нельзя. Поэтому показатель «содержание средних пыльцевых трубок» не является приемлемым для оценки прогамной фазы оплодотворения и может быть исключен из обсуждения результатов.
Содержание пыльцевых трубок с аномалиями роста у всех сортов возрастает со временем независимо от способа опыления (рис. 13), аналогично пшенице. Ничего, напоминающего наличие предпочтения какой-либо пыльцы нами не обнаружено, как и не отмечено признаков самонесовместимости.
Подводя итог рассмотрению прогамной фазы оплодотворения, можно отметить, что у изучаемых материнских белоколосых сортов не выявлено признаков самонесовместимости, характерной для ржи (подавленный рост собственных пыльцевых трубок). Это уравнивает шансы любых пыльцевых зерен (собственных или чужих).
Показатели, характеризующие прогамную фазу оплодотворения у изученных белоколосых сортов тритикале, имеют значения, аналогичные пшенице:
1) У тритикале не обнаружено различий по проценту проросших пыльцевых зерен на рыльцах пестиков при разных способах опыления.
2) Длина пыльцевых трубок тритикале при самоопылении и перекрестном опылении примерно одинакова с небольшим преимуществом собственных гаметофитов. Имеется сортовая специфика (у сорта Гермес отмечены более длинные пыльцевые трубки, чем у опылителей, что косвенно свидетельствует в пользу предпочтения его рыльцами собственной пыльцы).
3) Содержание длинных пыльцевых трубок у тритикале растет с увеличением экспозиции одинаково при самоопылении и при перекрестном опылении. Имеется сортовая специфика (у л. 21759/97 отмечены косвенные свидетельства в пользу предпочтения чужеродной пыльцы — содержание ДПТ при самоопылении ниже, чем при перекрестном).
4) Содержание коротких и средних пыльцевых трубок у тритикале снижается с увеличением экспозиции одинаково при самоопылении и при перекрестном опылении.
5) Содержание пыльцевых трубок с аномалиями роста у всех сортов возрастает со временем одинаково независимо от способа опыления.
Характеристика постгамной фазы оплодотворения тритикале
Окончательный вывод о наличии или отсутствии избирательности в отношении способа оплодотворения у тритикале можно сделать, лишь проанализировав соотношения гибридных и негибридных растений в потомстве от опыления прока-стрированных материнских растений смесью пыльцы. Для этого эксперимента было взято только по одному красноколосому опылителю для каждого материнского бело-колосого сорта: для л. 21759 и Валентин — сорт Presto (группа раннеспелых сортов), для Гермеса — Водолей (группа среднеспелых сортов). Подбор пар осуществляли по соответствию времени зацветания.
Анализ гаметофитов подобранных пар: Валентин — Presto и Гермес — Водолей показал, что их пыльца по размерам, содержанию водорастворимых веществ, фертильности не различается. Поэтому предполагаем ее равноценность.
30
-♦-Пьшьца л. 21759/97 -■—Пьшьца Presto Пьшьца Торнадо
-»—Пьшьца Гермеса -•—Пыльца РгевЬ] Пьшьца Торнадо
-•—Самоопыление —Перекрестное опыление
В Г
Рис. 11. Динамика содержания коротких пыльцевых трубок на рыльцах тритикале при различных способах опыления; а, б, в, г — как
на рис. 9
со
DO
-Пыльца л 21759/97 -Пыльца Presto Пыльца Торнадо
20 | 45 | 60 | 90 | 120 Время от опыления до фиксации, мин
Пыльца Валентина Пыльца Presto Пыльца Торнадо
а 45
я 40
г
л 35
I 30 в #
й i25 д О «»£20
а in
о н 15
'/, ..
s s
а о
и «
и >>
а а
н 10
_ЬхК.
20 45 60 90 ?ремя отопьшения до фиксации мив 120
-Самоопыление -Перекрестное опьшение
Рис. 12. Динамика содержания средних пыльцевых трубок на рыльцах тритикале при различных способах опыления; а, б, в, г — как
на рис. 9
а
-Пыльца л. 21759/97 -Пыльца Presto Пыльца Торнадо
б
-Пьшьщ Валентина -Пьшьщ Presto Пьшьщ Торнадо
В Г
Рис. 13. Динамика содержания пыльцевых трубок с аномалиями роста на рыльцах тритикале при различных способах опыления;
а, б, в, г— как на рис. 9
—♦—Пьшьщ Гермеса -■—Пьшьщ Presto Пьшьщ Торнадо
-Самоопьшение -Перекрестное опыление
И
i
01
9
Л
Ч
i
В
и i
в sí
л 0
f; ю
а >i
i -
0 н
В
а
0)
S
В
а
Í
в.
и
И
0
Ü
Время отопьшения до фиксапр, мин
Время отопьшения до фиксации, мин
Только у пары л. 21759/97 и Presto имеются различия по фертильности. Это может привести к преобладанию гибридов, которое не связано с избирательностью.
При опылении кастрированных цветков смесью пыльцы в потомстве могут преобладать гибридные или негибридные растения в зависимости от того, какая пыльца более предпочтительна (собственная или чужая). отсутствие избирательности оплодотворения приведет к примерно одинаковой доле гибридных и негибридных растений у потомства. Сдвиг равновесия в сторону преобладания любой группы растений будет означать наличие избирательности в отношении своей либо чужой пыльцы.
В табл. 3 представлены результаты анализа потомств семян тритикале, полученных от опыления кастрированных цветков белоколосых сортов тритикале смесью пыльцы (собственной и красноколосого сорта) по содержанию гибридных и негибридных растений. Достоверность отличия содержания гибридов от 50% проводили методом х2.
Т а б л и ц а 3
Содержание гибридных растений в потомстве семян, полученных от опыления белоколосых форм тритикале смесью пыльцы, %
Материнский белоколосый сорт Содержание красноколосых гибридов
2012 г. 2013 г. в среднем х2ф
% Х2ф % х2ф
Линия 21759/97 78,3 22,04 80,7 267,7 79,5 14,56
Валентин 54,0 0,27 57,7 15,29 55,9 0,51
Гермес 27,3 11,4 65,0 76,36 46,4 0,24
X2 т — 3,84 — 3,84 — 3,84
В 2012 и 2013 гг. у л. 21759/97 преобладали гибридные красноколосые растения, что говорит о предпочтении ее рыльцами чужой пыльцы.
В потомстве сорта Валентин в 2012 г. не выявлено достоверных отличий содержания гибридных растений в потомстве от 50%, в 2013 г. отмечено преобладание гибридных растений. В среднем по годам не выявлено достоверных отличий от 50% (х2ф меньше %2т). Это говорит об отсутствии предпочтения какой-либо пыльцы рыльцами пестиков у сорта Валентин.
В потомстве сорта Гермес в 2012 г. достоверно преобладали негибридные растения, в 2013 г. — гибридные, в среднем по годам не выявлено отличий содержания гибридных растений от 50%. Это также свидетельствует в пользу отсутствия предпочтения у сорта Гермес собственной или чужой пыльцы.
Результаты прямой полевой оценки избирательности оплодотворения показали, что изученные сортообразцы тритикале неодинаковы по этому признаку.
Линия 21759/97 обладает сильной склонностью к аллогамии. Это может быть связано как с предпочтением ее рыльцами чужеродной пыльцы (наличием избирательности оплодотворения), так и с пониженной фертильностью пыльцы. Поэтому селекционную работу с этой линией следует проводить с изоляцией колосьев.
У сортов Валентин и Гермес не выявлено предпочтения рыльцами какой-либо пыльцы. Поэтому появление спонтанных гибридов у них не может быть частым явлением, затрудняющим селекционный и семеноводческий процесс.
34
Выводы
1. Гаметофитная самонесовместимость у ржи проявляется в подавлении тканями пестика роста пыльцевых трубок собственных гаметофитов. Это позволило оценить ряд сортов тритикале данному признаку.
2. По результатам изучения прогамной фазы оплодотворения у ржи определены критерии разделения пыльцевых трубок по длине и возможные критерии оценки предпочтения рыльцами тритикале собственной или чужеродной пыльцы (средняя длина пыльцевых трубок, содержание длинных пыльцевых трубок).
3. Пыльца материнских форм и их опылителей по размерам и физиологическому состоянию имеет одинаковые стартовые возможности для осуществления оплодотворения.
4. У изучаемых белоколосых сортов тритикале не выявлено признаков самонесовместимости.
5. Показатели, характеризующие прогамную фазу оплодотворения у изученных белоколосых сортов тритикале, имеют значения, аналогичные пшенице.
6. Оценка постгамной фазы оплодотворения выявила неоднородность изученных сортов по избирательности оплодотворения: у линия 21759/97 обнаружено предпочтение чужой пыльцы рыльцами пестиков, у остальных сортов предпочтения не обнаружено.
Библиографический список
1. Баженов М.С., Дивашук М.Г., Пыльнев В.В., Карлов Г.И., Рубец В.С. Изучение образцов озимой тритикале на наличие хромосомных замещений и их связь с устойчивостью к прорастанию на корню // Известия ТСХА. М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2011. Вып. 2. С. 20-25.
2. Баженов М.С., Пыльнев В.В., Тараканов И.Г. Влияние факторов окружающей среды на покой семян и прорастание зерна в колосе озимой тритикале // Известия ТСХА. 2011. Вып. 6. С. 30-38.
3. Батыгина Т.Б. Опыление и оплодотворение у злаков // Эмбриология цветковых растений. Терминологии и концепции. Т.2. Семя. СПб.: «Мир и семья», 1997. С. 200-209.
4. Доспехов Б.Д. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1973. 336 с.
5. Дударева О.В. Биологические особенности репродуктивной системы тритикале и их использование в селекции на озерненность / Автореф. дис. канд. с.-х. наук: 06.01.05 // Брянск, 2005. 18 с.
6. Махалин М.А. Межродовая гибридизация зерновых колосовых культур. М.: Наука, 1992. 239 с.
7. Палфитов В.Ф., Ермачкова Т.В. Весовое определение водорастворимых веществ в пыльце растений (К разработке методики оценки перекрестной плодовитости и самоплодно-сти сортов на примере сортов яблони) // Вестник Мичуринского ГАУ 2008. № 2. С. 120-122.
8. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Агропромиздат, 1988. 271 с.
9. Поддубная-Арнольди В.А. Ускоренные приемы микроскопических исследований на фиксированном материале // Бюл. Гл. Бот. Сада РАН СССР, 1954. Вып. 18. С. 95.
10. Поляков И.М. Современное состояние проблемы избирательности оплодотворения у растений // Общая биология. Т. 19. № 3. С. 24-31.
11. Пугачева Т.И., Гордей И.А., Василевская В.А. Пыльцевая продуктивность тритикале в связи с особенностями системы размножения // С.-х. биология, 1983. № 2. С. 46-50.
12. Пыльнев В.М., Рыжеева О.Н., Кривенко А.А. Особенности цветения и опыления разных форм озимой тритикале // Репродуктивные процессы и урожайность полевых культур. Одесса: ВСГИ, 1981. С. 17-23.
35
13. Пыльнев В.В. Практикум по селекции и семеноводству полевых культур М: Лань, 2014. 53 с.
14. Рубец В.С., Пыльнев В.В., Митрошина О.В., Широколава А.В. Спонтанное перекрестное опыление озимой гексаплоидной тритикале // Известия ТСХА. М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2013. Вып. 4. С. 32-47.
15. Рубец В.С., Пыльнев В.В., Митрошина О.В. Некоторые результаты изучения про-гамной фазы оплодотворения озимой гексаплоидной тритикале // Тритикале. Ростов-на-Дону, Вып. 5. 2012. С. 87-91.
16. Рубец В.С., Пыльнев В.В., Митрошина О.В. Результаты изучения спонтанного перекрестного опыления озимой гексаплоидной тритикале // Известия ТСХА. М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2012. Вып. 2. С. 162-164.
17. Сечняк Л.К., Сулима Ю.Г. Тритикале М: Колос, 1984. 317 с.
18. СиминелВ.Д., Кильчевская О.С. Особенности биологии цветения, опыления и оплодотворения тритикале. Штиинца, 1984. 150 с.
19. Суриков И.М. Несовместимость и эмбриональная стерильность растений. М.: Аг-ропромиздат, 1991. 220 с.
20. Тихенко И.Д. Строение мужского гаметофита и прогамная фаза оплодотворения у тритикале различного уровня плоидности // проблемы опыления и оплодотворенияу растений / Сб. науч. Трудов по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1986. Т. 99. С. 79-82.
21. Шевченко В.Е., Шпилев Н.С. Биология цветения яровых гексаплоидных (2n=42) тритикале // Науч. тр. НИИСХ ЦЧП, 1978. Т. 15. Вып. 3. С. 41-43.
22. Шулындин А.Ф. Тритикале — новая зерновая и кормовая культура Киев, 1981. 48 с.
23. Шулындин А.Ф. Тритикале. О выведении зерновых и кормовых пшенично-ржаных амфидиплоидов различной геномной структуры // Вестник с.-х. науки. 1971. № 11. С. 25-31.
24. Heslop-Harrison Y., Heslop-Harrison J., Reger. B. J. The pollen-stigma interaction in the grasses. Pollen—tube guidance and the regulation of tube number in zea mays L. // Acta Bot. Neerl. 1985. Vol. 34. № 2. P. 193-211.
25. Kiss A. Improvement of the fertility of Triticale // Acta agron. Acad. Sci. Hung. 1965. Vol. 14. №3/4, Р. 189-201.
26. Swanson R., Edlund A.F. and Preuss D. Species Specificity in pollen-pistil interaction // Annu. Rev. Genet. 2004. Vol. 38. P. 793-818.
27. Tarkovski C. Triticale. Cytogenetyka, hodovla i uprava. Warszawa: Ponstw. Wydwo nauk, 1975. Bd. 157. Р. 91.
28. Lange W., Wojciechowska B. The Crossing of common wheat (triticum aestivum L.) with cultivated rye (secale cereale L.). I. Crossability, pollen grain germination and pollen tube growth // Euphitica. Vol. 25. 1976. P. 171-173.
THE PECULIARITIES OF TRITICALE FERTILIZATION SELECTIVITY (xTRITICOSECALE WITTM.)
V.S. RUBETS, O.V. MITROSHINA, V.V. PYLNEV (Russian Timiryazev State Agrarian University)
In this study the research of fertilization selectivity in the winter hexaploid triticale varieties was conducted. The fertilization selectivity can be one of cases of the cross-pollination. Therefore, to prevent the cross-pollination between triticale varieties it is necessary to know about availability of the fertilization selectivity.
The fertilization selectivity was determined in the progamic and postgamic stages of the fertilization. Emasculated florets of white spikes of the triticale varieties (Germes, Valentin, line
21759/97) were pollinated with the red spike pollen of the triticale varieties (Vodoley and Presto), as well as with its own varieties pollen. Then the pistils were collected at 20, 45, 60, 90 and 120 min after pollination, and immediatelyfixed. The fertilization selectivity estimation in the progamic stage is indirect and includes the measurement of the pollen tube length on the temporary histological preparations of the pistil stigma by using the luminescent microscope. The direct estimation was conducted in the postgamic stage and included the count of the hybrid (red -spike) and non-hybrid (white spike) plants ratio, which were received as a result of the pollination of emasculatedflowers of white spike of triticale varieties by pollen mixture. Pollen mixture consisted of 50% own pollen of the variety with white spike and 50% of another red spike triticale variety pollen.
In our work the varieties of wheat and rye were used to detect the characteristics of the progamic fertilization stage in triticale varieties.
Studies of fertilization selectivity in the rye showed that on the basis of pollen tube separation by length it is possible to suggest the characteristics of the progamic stage. This method indicates that the mean length of the pollen tube and content of the long pollen tubes are the most reliable characteristics.
The traits of self-incompatibility were absent in the investigated triticale varieties. The progamic stage of fertilization in the triticale occurred as much as in wheat. The pollen of the investigated triticale varieties possessed equal start capacity both in size and physiological state. Furthermore, it was shown that triticale varieties differed in the fertilization selectivity in the postgamic stage.
Key words: triticale, wheat, rye, blossoming biology, fertilization selectivity, progamic phases of fertilization, postgamic phases of fertilization.
Рубец Валентина Сергеевна — к. б. н., доц. кафедры генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; тел. (499) 976-12-72; e-mail: [email protected]).
Митрошина Ольга Вкторовна — асп. кафедры генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; тел. (499) 976-12-72; e-mail: [email protected]).
Пыльнев Владимир Валентинович — д. б. н., проф. кафедры генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; тел. (499) 976-12-72, e-mail: [email protected]).
Rubets Valentina Sergeevna — PhD in Biology, associate professor of the department of genetics, biotechnology, plant breeding and seed production, Russian Timiryazev State Agrarian University (127550, Moscow, Timiryazevskaya street, 49; tel. (499) 976-12-72; e-mail: selection@ timacad.ru).
Mitroshina Olga Victorovna — PhD student of the department of genetics, biotechnology, plant breeding and seed production, Russian Timiryazev State Agrarian University (127550, Moscow, Timiryazevskaya street, 49; tel. (499) 976-12-72; e-mail: [email protected]).
Pylnev Vladimir Valentinоvich — Doctor of Biological Sciences, professor of the department of genetics, biotechnology, plant breeding and seed production, Russian Timiryazev State Agrarian University (127550, Moscow, Timiryazevskaya street, 49; tel. (499) 976-12-72; e-mail: [email protected]).
37
