Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эмбриологические аспекты низкой семенной продуктивности люцерны (MEDICAGO SATIVA L., MEDICAGO VARIA MART. )

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Эмбриологические аспекты низкой семенной продуктивности люцерны (MEDICAGO SATIVA L., MEDICAGO VARIA MART. )"

ВСЕСОЮЗНАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК имени В. И. ЛЕНИНА

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени Н. И. ВАВИЛОВА

На правах рукописи

КАЗАЧКОВСКАЯ Елена Борисовна

УДК 633.31:576.3

ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ НИЗКОЙ СЕМЕННОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЮЦЕРНЫ (MEDICAGO SATIVA L., MEDICAGO VARIA MART.)

Специальность: 03.00.05 — Ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1991

Экспериментальная часть диссертационной работы выполнена на базе Приаральской опытной станции и отдела цитологии и анатомии Всесоюзного ордена Ленина и ордена Дружбы народов научно-исследовательского института растениеводства имени Н. И. Вавилова в 1987—1990 гг.

Научный руководитель —• доктор биологических паук, профессор Л. И. Орел.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук 3. В.Абрамова, кандидат биологических наук О. П. Камелина.

Ведущее учреждение — Пермский государственный университет им. А. М. Горького.

Защита диссертации состоится

М>> Я/еВт^и^- 1992 г.

в часов на заседании Специализированного совета (Д 020.18.01) во Всесоюзном ордена Ленина и ордена Дружбы народов научно-исследовательском институте растениеводства имени Н. И. Вавилова по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Герцена, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства имени Н. И. Вавилова.

Автореферат разослан « /'/» 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор сельскохозяйственных

наук Л. В. Сазонова

' .у | ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'.'Актуальность теш. Люцерна играет первостепенное значение л укреплении кормовой базы и увеличении производства растительного белка. Расширение посевов люцерны и повышение ее семенной продуктивности в значительной степени обусловлены наличием семенного фонда и количеством семян. Из-за относительно низкой семенной продуктивности люцерны 1/10 часть общей площади ее посевов занята семенниками. Одна из основных задач селекции люиорны - повышение выхода семян на 30-50$ по сравнению с существующими оортами (Новоселова А.С., 1982). Метод отбора растений люцерны по оомен-ной продуктивности, применяемый в процессе селекционного улучшения культуры не всегда эффективен. Одна из биолопгчооких особенностей люцерны - формир9вание большого чиола соцветий, цветков в-кисти и семяпочек в одной завязи. Выяснено, что потенциальная плодовитость люцернн значительно выше реализуемой. Бобы и семена образуются далеко не всегда дате в условиях оптимального опыления. Причины слабой реализации высокой потенциальной семенной продуктивности люцерны в целом не яоны.

Для целей селекции и семеноводотва люцерны вашо знать вое причины, влияющие на уменьшение оемпобразованкя ото,'! ценной кормовой культуры. Методы цитоэмбриологии позволяют с~'нпиболыпей объективностью проанализировать причины бесплодия, связан!ше о особенностями формирования генеративных органов люцерны.

Цели и задачи исследования - Изучить биологию репродуктивного процесса люцерны о целью выявления аномалий, причинно свя-, занных о понижением ее семенной продуктивности.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: ' • - разработать цктоэмбриологичеокие методы оценки потенциальной продуктивности люцерны;

- изучить аномалии гшнской генеративной" сферы и определить ' критерии фертильности зародышевого мешка и семяпочки;

- провести сравнительную оценку потенциальной и реальной оемен-ной продуктивности перекрестноопыляющихся коллекционных образцов люцернн; I

- исследовать процессы гибели семяпочек на всех этапах.репро-. дуктивного процесса: до оплодотворения, в период оплодотворения, в процессе развития семени; ••

- выяснить влияние способа опыления и фертильности пыльцы на семенную продуктивность растений люцерны;'

- изучить качество оемян, полученных при само- и овободном опылении люцорны;

- провести сравнительную оценку прогамной фазы оплодотворения и завязывания семян у различных по степени самофертильности рас-тешШ при разных способах опыления;

- разработать методы поиска и отбора растений люцерны о иен -ской стерильностью в свободиоцветущих популяциях.

Научная новизна результатов исследования. Для оценки фертидь-ности ненокого гаметофита до оплодотворения разработаны экопреоо-методы массовой оценки селекционного материала. Способ определен ния жизнеспособности зародышевых мешков люцерны по наличию в них крахмала (авторское свидетельство й 1540727, 1909) и модифициро- , ■ ванные методы просветления и мацерации целых,семяпочек люцерны впервые позволили выявить ряд аномалий в развитии семяпочки и зародышевого мешка, а также объективно исследовать связь фер -тильности семяпочек до опыления и семенной продуктивности.

Впервые о учетом фер'тильности семяпочек проанализирована про-гамная фаза оплодотворения. Описан процесо снижения жизнеопособ- . ности зародышевого мешка при старении ноогшлешюго цветка. Методом рентгенографии изучено качество оемян, полученных при само-и свободном опылении. Выявлены некоторые морфологические типы проявления женской отерильности у люцерны и предложен способ выделения в полевых условиях форм о полной женской стерильностью.

Практическая ценяооть работы. Дана характеристика образцов . коллекции ВИР по признакам эмбриологии и семенной продуктивноети. Полученные данные пополняют сведения о культуре и могут быть попользованы в научном, селекционном и учебном процессах.

Изучены особенности развития женского гаметофита и определены критерии его фртильности, которые дают возможность прогнози- . ровать до оплодотворения семенную продуктивность растений люцерны.

Разработанные экопреос-методы позволяют проводить маооовую оценку оелекционного материала на потенциальную плодовитость завязей в самом начале цветения растений, Эти методы о успехом применены для исследования других культур (клевер) (акт о внедре-' ний результатов НИР, 1991). Выделенные о иомощью этих методов-аномалии в развития эмбриональных структур открывают возможность для изучения.генетики эмбриологических признаков.

Предложенные способы отбора форы о.полной женской отерильно- ■ отью у люцерны могут быть иопользованы для разработки методов селекция о использованием эффекта гетерозиса.

4 ' ' ' • '■'

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 1У Всесоюзна! совещании "Проблемы размножения цветковых (прикладшю аспекты)'' Сг.Пермь, 1987), m заседаниях научно-технических советов отдела цитологии и анатомии ВИР (I9B8-I989), на научной конференции аспирантов и молодых сотрудников ВШ1ИР им.Н.И.Вавилова (г.Леничград, 1990), на XI Международном симпозиуме "Эмбриология и семенное размноиэние" (г.Ленинград, 1990).

Публикация материалов исследования. По материалам исследования опубликовано II печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего. 242 наименования,' в т.ч. III зарубежных авторов. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 88 .рисунков и микрофотографий, Г2 приложений.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИЗОЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальная работа проведена в 1987-1990 гг. на орошаемом участке Приаральокой опытной стагадеи ВНР, расположенной в зоне полутзуотынь Западного Казахстана (Актюбинская обл., гЛелкар) и в отделе цитологии и а на toi,um ВИР (г.Санкт-Петербург).

В исследование включены 2 сорта различного оке ¿ого-географи -ческого происхождения (Тибетская, к-25782; Rbizoma , к-32783) -Medicago varia Mart. , местный образец из КНР (к-32860) - Medí -cago aativa L. и синтетическая популяция, полученная на При аральской опытной станции ВИР - СФА-21.

Образцы изучали в условиях свободного опыления, нринудитель-1 . ного самоопыления (искусственный триппинг) и естественного оамо-сшлчкия (автотриппинг) при индивидуальном размещении растений.

Изучение исходного материала проводили на 50-100 растениях каждого образца согласно методическим указаниям по проведению самоопыления, гибридизации, учета самофертильности и автотрптшинга у люцерны (Иванов А.И., Дзюбенко Н.И., Бухтеева A.B., 1982).-

Укоренение молодых отрастающих побегов люцерны проводили по методике В.И.Кривченко и Н.М.Коваленкс (1984). ..

Для зыяонения различий по качеству и размерам между семенами, полученными при разных способах опыления цветков, попользовали метод рентгенографии (Архипов.М.В., Савин В.Н., Боденко А.Л., 1982). Лабораторную энергию прорастания и всхожесть, а также мао-су 1000 семян определяли согласно общепринятым методикам (Абуга-лиев И.А., Алехин Г.П. ,• Дзевульскйя Л.Л., 1981).

. • ' 5

Для оценки фертилыюсти -тильду окрашивали в ацетокармино. Исследовали 5-10 бутонов в 20-ти полях зрения на аре мен них препаратах. По каждому образцу изучено 250-500 цветков.

Для изучения прогамной стадии оплодотворения фиксировали по СО цветков после 3-х вариантов опыления (свободное, принудительное перекрестное и искусственней трипгшнг) через 4, 8, 24, 48, 72, 96 часов в ацетоалкоголе (3:1). Приготовление препаратов пестиков люцерны для изучения в УФ-овете проводили по методика, применяемой в отделе цитологии и анатомии Biff (Орел Л.И., Константинова Л.11., Огородникова В.Ф. и др., 1985).

Семяпочки и зародышевые мешки люцернл исследовали на постоянных и временных препаратах.

Фиксацию, заливку материала в парафин, получение и обработку микротомных срезов проводили по общепринятым методикам.

Для определения уровня фертильности семяпочек нами разработаны экспресс-методы с использованием .'просветляющих и мацерирующих сред, Модификация существующих методов позволили нам значительно сократить и упростить обработку материала. В качестве новой про- . светлящей среды применили этилсалицилат, которий оказывает также мацерирующее действие на ткани семяпочки.

В исследовании попользованы три ускорен!шх способа изучения семяпочек и зародышевых мешков:

1. Вычленение зародышевых мешков путем их'выдавливания из семяпочек, что позволяет оценить морфологическую неполноценность всех элементов зародышевого мешка (яйцеклетки, центральной клетки, полисахаридной обобочки) и уровень накопления запасного вещества- крахмала. • • . • . .

2. Процедура просветления целой семяпочки в этилоалицилате и изучение характера развития интегуыентов, микропиле,* нуцеллуса, . • зародышевого мешка в нем и определение наличия крахмала посла окрашивания Йод-калий-йодом (авторское свидетельство JS 15 40727, 1989).

3. Определение.фертилыюоти и стерильности оемяпочек путем наблюдения свечения каллозы в ультрафиолетовом свете после обработки анилиновым синим.

Гистохимический тест на состав" оболочки зародышевого мешка' проводили раотвором хлор-цщш-й.ода и алцианового синего..'

Статистический анализ полученных данных проводили по методикам П. В. Терентьева, Н. С. Ростовой (1977), Г.Ф.Лакина (1980), Г.Н.Зайцева (1990). • 6 '

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭМБРИОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОГЕШОСТЬ КАК ПРИЧИНА СНИЖЕНИЯ СЕМЕННОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЮЦЕРНЫ

Фертильность семяпочек является первым условием получения высокого урожая полноценных семян, в связи о чем проведено эмбрио-' логическое исследование люцерны, основой которого явилаоь ранняя диагностика отерильнооти семяпочек.

Методы исследования просветленных семяпочек и вычлененных целых зародышевых мешков впервые позволили нам наиболее полно оценить и дифференцировать аномалии, возникающие в развиваюиюмоя и зрелом женском гаметофите и семяпочке еще до оплодотворения. К ним отнесены: отмирание мейотически делящихся клеток или тетрад микроспор; прекращение митозов в процессе гаметофитогенеза и от- . оутствие дифференцировки клеток зародышевого мешка; нарушение оин-теза крахмала в центральной клетке зародышевого мешка; формирование толстой углеводной оболочки вокруг зародышевого мешка, в том числе со стороны микропиле; задержка лизиса клеток эпидермы апикальной части нуцеллуса - зародышевый мешок остается закрытым олоем клеток и недоступен для пыльцевых трубок.

Стерильность семяпочек в' завязях воех исоледовашшх раотений была обусловлена одним или несколькими из перечисленных отклонений.

Особое внимание обращено на зародышевые мешки, которые при' полной морфологичеокой полноценности не содержат крахмала. Исследование постгамного развития показало, что такие семяпочки впоследствии гибнут. Недостаток крахмала на ранних этапах эмбриогв-1 неза приводит к дисбалансу в развитии эндосперма и зародыша. Таким образом 9'вд до оплодотворения о помощью методов прооветления ■ можно предсказать неудачу б поотгамном развитии у люцерны.

Наряду о варьированием оодержания крахмала и формы его зерен • наблюдается изменчивость длины зародышевых мешков у люцерны. Уменьшение длины зародышевого,' мешка всегда сопряжено о другими аномалиями в нем самом и семяпочке.' Это дает оонование рассматривать'короткий зародышевый мешок в качеотве отклонения от нормы.

К фертильным отнесены достаточно длинные зародышевые мешки о четко дифференцированными клетками яйцевого аппарата и двумя полярными ядрами. В цитоплазме центральной клетки содержится большое количество крупного крахмала. Углеводная оболочка таких зародышевых мешков тонкая. Интегументы семяпочки хорошо развиты, микропиле сформировано. Клетки апикальной части эпидермиса ну. 7-

целлуса фертйльных семяпочек распустившегося цветка лизируются, открывая путь пыльцевой трубке.

Подтверждением установленных критериев фертилыюсти семяпочек, явилооь исследоваше этого показателя и завязываемости оемян. у растений 3-х образцов (люцерна местная, КНР, СФА-21, иегова ) (табл.1), -

Таблица I

Фертильнооть семяпочек и ореднее чиоло семян на боб у растений люцерны в среднем за два года (1987 - 1988 гг.)

Образец № по каталогу ВИР Исследовано растений Число семяпочек на завязь в5 Число фертйльных семяпочек на завязь Число полноценных семян на боб

5+ 8- и_ 8- 83 %±Н

НЫгоша 40 9,5+0,2 4,2+0,2 .47,4+2,6 2', 8+0,2 ' 33,7+2,4

(к-32783) '

СФА-21 40 10,3+0,1 3,9+0,2 40,6+2,4 2,8+0,2 29,8+2,2

(синтети

ческая п 0-

пуляция)

Люцерна 40 10,0+0,2 3,3+0,2 38,8|-2,4 2,6+0,2 28,8+2,2

местная,

КНР

(к-32860)

Число семяпочек, определенных нами как ферт ильные, приближалось ' к чиолу семян, формирующихся ъ бобах данного'растения. В большинстве олучаев разница между ними не превышала 1-9%, хотя по нескольким растениям эта разница достигала 45/2. В данных случаях-разрыв определяли события, происходящие в эмбриогенезе,• либо аномалии опыления. -Высоко достоверная положительная корреляция ме&-> ду числом фертйльных семяпочек и числом завязавшихся семян .(0,69 в 1987 г. и 0,79 в 1988 г.) свидетельствует об объективности вы-, шеназванных критериев фертильности. ■ ■ •

Установлено отсутствие корреляции'между общим количестврм ое-( мяпочек на завязь и числом фертйльных оемяпочек, а также чиолом завязавшихся оемян. Следовательно-, вести отбор на увеличение общего чиола.семязачатков в завязи не эффективно, так как это не увеличивает выход семян. .'■•■.

По характеру наблюдаемых отклонений-в развитии оемяпочек ' раопустившихоя цветков люцерны мы подразделили на группы и вы -числили уровень тех или иных аномалий в отроении кеноког'о'гамето-В ' ' ' '.■.■■.■•

■ фита у растений трех образцов люцерны (табл.2). Наибольшее количество в образцах составили зародышевые мешки с нарушенным синтезом крахмала в сочетании о другими аномалиями развития (32,8 -39,75?).

Длительное сохранение жизнеспособнооти нетришшнговаиного цветка люцерны рассматривается как адаптивный признак. При дли -тельном цветении увеличивается вероятность опыления, последнее приобретает большое значение в уоловиях недостатка опылителей. В связи о этим, • представляет определенный интерес изменчивость морфологии семяпочки и зародышевого мешка при отарении неопыленного цветка люцерны.

Обнаружено, что морфологические и физиологические изменения фертилымх зародышевых мешков в неопыленных в течение 2-7 дней цветках люцерны весьма существенны.' Они выражены в увеличении размеров полости зародышевых мешков, утолщении их оболочки, накоп -лении крахмала в яйцеклетке, образовании центрального ядра, частичного или полного гидролиза крахмала в центральной клетке зародышевого мешка и в клетках интегументов семяпочки.

• Искусственное опыление цветков через 2-7 сут после раопуока-ния показало рост пыльцевых .трубок в завязях всех возраотов..Отмечено вхрждание пыльцевых трубок в микропиле семяпочек со отары-ми зародышевыми мешками. Полноценных семян в старых цветках почти нет, хотя в ряде случаев происходит двойное оплодотворение. Количество щуплых семян при искусственном перекрестном опылении 1-оу-точных цветков колебался от 9,2 до 17,7$, а 3-7 суточных - от 20,0 до 100%. Таким образом, эмбриологическое исследование позволило выявить деструктивные процессы в оемяпочках и зародышевых .мешках, ведущие к потере семян при старении неопыленных цветков . люцерны.

ПРОГАМНАЯ ФАЗА ОШГОДОТВОГЕНИЯ И ЗАВЯЗЬ/15 AISE СКМЯН У ЛЮЦЕРНЫ

Изучены закономерности процеоса. семяобразования у 16 раотений люцерны ( м.sativa, м.varia ) в зависимости от способа опыления.' Исследованы фертильнооть семяпочек до опыления, качество оплодотворенных семяпочек и завязавшихся семян, характер роста пыльцевых трубок в пестике при само-, искусственном перекрестном и ово-.бодном-опылении. В пределах изученной выборки обнаружили вариа- • бельность по всем перечисленным признакам.

На основе систематизации морфологических признаков стерильно-

Таблица 2

Фертильше и стерильные- зародыпввые мешки-у Образцов люцерны в среднем за два года - • ......" :' (.1987 -. 1988 гг.)

Исследовано семя- ■ Семяпочек на I завязь Фертильдах семяпочек Стерильных семяпочек

Образец. с дифференцированными -зародышевыми мешками с недифференцированными заро- . дышевыми мешками ■ без зародышевого мешка

почек крахмала менее 1/2 отсутствие (или следы) крахмала ж . другие аномалии

х + 'S¡T х в:5 х + six • х +■ sí. I + si X + S 5

■%* %±- Sp %± <f . S -1° ¿ p i Р

Ehizoma! . 6323 ' 9,-3 + 0.1 3,9 £ 0,5 0,5 + ОД ЗД.+ 0,5 ОД + ОД 1,5 + ОД

(к-32783) 42,4 + б;о 5,6 +1,2 32,8 + 5,7 0,4 + 0,3 18,1 + 1,3

СФА-21 - • 2067 10,8 + ОД 4,6 + 0,4 0,9 + ОД ' ■ 4,3 + 0,5 0,01+0,01 . 1,0 + 0,0

(синтетическая популяция) 42 Д + 3,1 8,6 + 0,8 39,7 + 3,6 0,2 +■ ОД 8,5 + 0,-8

Люцерна местная, 3088 ' 9,7 + 0,2' 2,8 + 0,3 28,4+^-3,9 1,6 + ОД 6,0 + 0,9 3,5 + 0,2 36,9 + 2,5 ОД + ОД 0,5 + 0,4 2,8 + ОД . 28,2 + ОД

tx-32850) '

сти семяпочек установлено, что количество фертильных семяпочек, тлеющихся в завязях к моменту опыления, колебалось от 12,4 до ■58,4%. При свободном опыления оплодотворялось от 14,5 до 69,5$ тлеющихся в завязях семяпочек.'Количество оплодотворенных семяпочек возрастало с увеличением фертильности завязи. При самоопылении число оплодотворенных семяпочек было значительно ниже и колебалось в пределах 0-34,2$ независимо от уровня (фертильности завязи (рис.1).

Показано, что частота оплодотворенных семяпочек имеет базипе-тальшй градиент, то есть большая часть оплодотворенных семяпочек приходится на верхнюю часть завязи при любых вариантах опылвшш. Наибольшее количество оплодотворенных семяпочек при само- и свободном опылвшш наблюдали в позиции 2 (49,2-61,4$), при принудительном перекрестном опылении - в позиции I (67,7%). Эти процессы . не зависят от фертильности семяпочек, так как их распределение в завязи случайно.

Снижение огоюдотворяемости семяпочек к основанию завязи при самоопылении связано с тем, что в подавляющем большинстве олучаев пыльцевые трубки реет,чем при других вариантах опылвшш"дорастают до последних семяпочек.

Изменчивость завязываемости семян по растениям также свиде -. тельствует о генетической гетерогенности изученных растений люцерны как при свободном, так и при самоопылении. При свободном опылении размах этого признака составил 7,3 - 43,1$ при самоопылении -'О - 32,4$. Выявлена положительная корреляция количества фертильних семяпочек и завязавшихся семян при свободном опылении ( '=' = + 0,69), и отсутствии таковой при самоопылении ( г = + 0,24).. ,В то же время в обоих вариантах опыления прослеживаетоя положи - • телыа.ч корреляция между числом'оплодотворенных семяпочек и чио-лом образовавшихся семян: г = + 0,53 при свободном опылении и г = +'0,89 при самоопылении.. Это 'свидетельствует о том, что фер-тильность.оемяпочек является решающим фактором семяобразованин ' при свободном опылении'у люцерны. Подавляющая чаоть фертильных семяпочек была оплодотворена, а ооновная чаоть оплодотворенных;-образовала оемана.

При самоопылений люцерны мы наблюдали полное'нарушение этой ' закономерности. Число оплодотворённых оемяпочек было в 2-3 раза ' ниже, по .сравнению со свободным опылением, не увеличивалось в оо- '■ ответотвий о классом растений, выделенных по фертильнооти семяпочек, а имело примерно один уровень во всех классах. При-этом за-

- фертильные семяпочки - оплодотворенные семяпочки - созревшие семена

•ш Ц

Рис.1 Фертильность семяпочек и завязываемость семян у люцерны при само- (со) и свободном (сво) опылении

вязываемость семян практически не менялась, в зависимости от клао-С.а фертильнооти и также находилась примерно на одном уровне. Следовательно, фертильность женской генеративной сферы при самоопылении не играет никакой роли. Главным здесь являетоя отсутствие оплодотворения части (у разных раотений различной) фертильшх семяпочек, то есть самонесовместимооть. Она проявляется в отсутствии прорастания пыльцевых зерен на рыльце и ингибировании роста пыльцевых трубок в столбике и завязи. Особенностью этого процесса у люцерны является в большинстве случаев отсутствие четкой картины реакций, которая наблюдается сразу в нескольких зонах одного и того же пестика. Глубина морфологических аномалий в росте пыльцевых трубок различна у отдельных растений. Сопоставление морфологических картин о результатами по завязыванию семян обнаруживает прямую степень выраженности нарушений взаимодейотвия пыльцевых трубок с пестиком со степенью самонесовместимости. Уровень самонеоовместимоотп люцерны варьирует от полной оамосовместимости до полной самонеоовмеотгалооти.

Исследования показали, что количество дегенерировавших в по-стгамные стадии развития семяпочек невелико (3,5 - 11,6$) и зависит не- столько от опособа опыления, сколько от чиола оплодотворенных семяпочек, находясь в прямой зависимости от этого показателя. . . , Установлено, что три детерминанты онинения семенной продуктивности люцерны - стерильность семяпочек до опыления, 'отмирание ■ оплодотворенных семяпочек, самонеоовмеотпмость - действуют незави-'оимо друг от друга и, по-ввдшоаду, отражают существование трех генетических систем. ."'.'.'

• • • /• РАЗМЕНА МАССА И КАЧЕСТВО СЕМЯН ЛЮЦЕРНЫ ' ' ■

Проанализированы семена 125.растений люцерны_ посевной и изменчивой о' различными уровнями самофертильности и количеством семян в бобах при свободном опылении; искусственном и самопроизвольном тришшзгецветков. По каждому образцу изучено 1500-2000 семян. .

Установлено,, что тип опыления не оказывает влияния на размеры и массу, оемени, но отражается на энергии прорастания и всхожеоти. ■" Для двух .'образцов ( нЫгоша люцерна местная, КНР) показано,что-

гибридные оемена .достоверно превооходят инбредные по вохокести и » .энергии прорастания. При создании'синтетичеокой популяции СФА-21-' 'проводили целенаправленный отбор на выоокую степень оамофертиль- •. ности, поэтому вохож&оть гибридных и инбредных- оемян у раотений этой популяции достовёрйо'не различалась. . .

Не обнаружено существенной овязи между размерами и массой ое-мян из мало- и многосемянных бобов. Увеличение чиола семян'в бобах влечет за собой увеличение их энергии прорастания и всхожести, что характерно дл): растений всех изученных образцов.

Наличие щуплых семян у растений не зависит от типа опыления, количества семян в бобах и местоположения оплодотворенной семя -почки. Так как неполноценные семена присутствовали и у высокоса-монесовместимых растений, можно считать, что их появление не связано с последствиями инбридинга. Независимость появления щуплых семян в инбредных или гибридных бобах подтверждает наши выводы о том, что неполноценность семени может быть вызвана отклонениями в развитии зародышевого мешка еще до оплодотворения. •

УРОВЕНЬ 1Ш0Д0- И СЕМЯОБРАЗОВАНИЯ У РАЗЛИЧНЫХ 'ОБРАЗЦОВ ЛЮЦЕРНЫ Семенную продуктивность трех образцов ( иыгота , СФА-21, люцерна местная, КНР) исследовали, используя индексы "количество цветков, формирующих бобы" и "число семян на боб". .

Разнообразие растений по эмбриологическим признакам нашло отражение в проявлении широкого полиморфизма' изученных образцов по ■плодо- и семяобраэовашпо. Было, выяснено, что в течение двух лег (1987-1988) независимо от климатических условий года выращивания и возраста растений, количество цветков, формирующих бобы при свободном опылении у всех изученных образцов, достоверно не различалось между собой-и по годам исследования ( Ъф < !:о,01)'

При искусственном самоопылении выявились различия по завязью ваемости бобов между образцами.' Наибольший процент цветков, формирующих бобы при искусственном триппинге, наблюдали у оинтетиче-окой популяции СФА-21 - 28,1%.

Исследование завязываемости семян в бобах при свободном опы-^ . лении показало, что наилучшими показателями обладали раотения СФА-21 в 1988 г. - 4,3 семян на один боб. В оотальные годы все образцы имели в среднем 3,0 .- 3,5 семян в одном бобе.

. Процессы самонеоовместимости вызывают пониженную оплодотво-ряемость семяпочек в зазязи при самоопылении. Поэтому число ое-мян в бобе при этом типе опыления было ниже и в среднем по образцам составило 1,0 - 1,7 штукз.

• В изученных образцах 17,0 - 44,0$ раотений были полностью бесплодными при искусственном триппинге. Основной причиной этого явилось отсутствие роста пыльцевых трубок и оплодотворения, вы-1 14

званных самоносовместимостыо растений, фертилт.ность семяпочек и пыльцы у которых била достаточной для формирования иолнсиештх ■ семян.

ХАЕАШРШША РАСТЕНИЙ ДДОШ С 12ШСК01! СТЕРШЬПОС'Ш)

В последнее десятилетие появилось новое направление поисков использования гетерозиса у люшрш. Оно связано с привлечением форм с полной ытокой стерильностью в качестве отцовского компонента в гибридной комбинации.

Исследовано 815 растении м.ааЧуд , м.уаиа ' \1987--198угг. ), еыдолвничх по низкому уровни завязиваемооти плодов и ое.\иш.

В работе представлены данные по эмбриологическому и:,учош:;1 растеши!, стерильность квиокого гакетофито которых превышала 60&

Анализ всех семяпочек в завязях кенскостернлышх растонпй позволил количественно дифферешифовать встречающиеся типы аномалий развития зародышевых мешков у распустившихся одноднев.чых цветков люцерны до ошлепия. Однотипное проявление нарушений в отросши ме некого гаметофита у некоторых растений позволило предположить, что кавднй тип аномалий базируется на мутационных изменениях-генов, контролирующих дашшо эмбриологические признака. Генетический контроль аномалий в развитии интегументов семяпочки люцерны установлен ранее ( вгпзьаш Е.т. , • Hawki.n8-.pfei.it«г Д. • , 198-4). Нами описана морфология зародышевых мешков подобного мутанта и некоторые другие типы проявления,женской стерильности у люцерны.

Установлено, что высокая степень проявления стерильности зародышевых мешков сочетается о нарушениями в строении различшх . .частей пестика, проявляющимися в недоразвитии или тератологии рпльяа, столбика, 'плаценты, проводящей сиотемы фуникулуоов и се-'мялочак.! . .

Прй оценке гогодо- и семяобразовация имеющихся форм выяснено, что . при высокой степени стерильности женского гаметофита,' как правило, плоды пе завязываются или образуется небольшое количество бобов без семян. При увеличении степени стерильности возрастало количество щуплых и недоразвившихся семян, понижалась их всхожесть.

С целью получения исходного материала для дальнейшей работы . по ооздашоо гибридных семян растения, обладающие высокой сте -пенью стерильности семяпочек и не завязывающие семян,, размножены . путем ююнирования. Проведенный эксперимент показал неблагоприятное влияние мутантных-факторов,. контролирующих стерильность, на

характер укоренения раогений.

Установлено, что ае некая стерильность в большинстве случаев связана с аномалиями в развитии мужского гаметофита. Нами выде -лену формы, имеющие с-носительно высокую фертильность пыльцы -60-00$.

В работе рассмотрев некоторые подходы к отбору растений о женской стерильностью из свободноцветущпх популяций люцерны по морфологии куста. Обращено внимание т необходимость эмбриологического контроля выделения форм, т.к. чаще всего низкое плодооб-разование люцерны вызвано отсутствием насекомых-опылителей на питомниках.

.ВЫВОДЫ-

1. Установлено, что эмбриологическая гетерогенность проявляется у люцерны перед опылением. Она связана с развитием в одной завязи фертильных и стерилизующихся на разных этапах семяпочек, а такте с полной женской стерильностью и изменением структуры .. зародышевых мешков при задержке опыления (старении цветка).

2. В процессе эмбриологического исследования люцерны разработаны высокоэффективные методы массовой оценки селекционного материала по уровню фертильности семяпочек до оплодотворения: оценка семяпочек распустившихся цветков.в УФ-свете, способ определения кизнеспособности зародышевых мешков люцерны по наличию в них . крахмала (авторокое свидетельство Л 1540727, 1989), модифициро-, ванный метод прооветлйния оемяпочек и вычленения целых зародышевых мешков.

3. Определены критерии фертильности зародышевого мешка люцерны, об объективности которых свидетельствует высокая достоверная корреляция между количеством фертильных семяпочек и завязавшихоя при свободном опылении семян ( г = + 0,69, + 0,79)..

Соотношение фертильных и стерильных семяпочек у отдельных растений сильно варьирует. К эмбриологичеоким аномалиям отнеое- • ны: отмирание спорогенных клеток, недоразвитие зародышевых мешков, отсутствие лизиса апикальной части эпидермы нуцеллуса, недоразвитие интергументов, аномалии формирования оболочки зародышевого мешка, нарушение синтеза крахмала в зародышевом мешке. Выделено неоколько типов полной женской стерильности у люцерны до оплодотворения.

4. При свободном опылении основной детерминантной оеменной 16 • •

продуктивности является фертильиость семяпочек до оплодотворе -ния. Все фортилыше семяпочки оплодотворяются ( г = + 0,82), большая чаоть из них - завязывает семена ( г = + 0,69). Незначительное количество семяпочек гибнет после оплодотворешш.

5. Разрыв между потенциальной и реальной семенной продуктивностью при самоопылении не зависит от фертилыюсти семяпочек

( г = + 0,24), а определяется самонесовместимостью: отсутствием прорастания пыльцы на рыльце, ингибированием роста пыльцевых трубок в столбике и отсутствием вхождения пыльцевых трубок в семяпочки. При самоопылении оплодотворялось в 2-3 раза меньше семяпочек, чем при свободном опылении. Количество оплодотворенных семяпочек после самоопыления варьировало в пределах 0—34,2/и, количество завязавшихся семян - 0-32,4$.

6. Уровень плодообразования в среднем по образцам колебался от 58,5 до 70,9$ при свободном опылении, и от 9,1 до 28,1$ при искусственном "триппинге, а уровень семяобразовашш - от 3,1 семени в ореднем на один боб до 4,3 и от 1,0 до 1,7 соответственно вариантам опыления. Отсутствие бобов и семян при самоопылении у некоторой части растений (17,0 - 44,0$) всех изученных образцов обусловлено действие!,! самонесовместимости, поскольку ферт иль -ность пыльцы и семяпочек была достаточной и реализовалась при

■ свободном опылении. Установлено, что завязываемость плодов и ое-мян при искусственном самоопылении выше, чем при автотр'иппинге цветков этих же растений.

7. Выяснено, что тип опыления не оказывает влияния на размеры и массу зрелых семян, но отражается на их энергии прорастания и всхожести. Инбредные семена имели достоверно более низкую всхо-

'.жесть, чем семена от свободного опыления сорта НЫгоша и местного образца из КНР в ореднем на 14-19$. Не обнаружено существенных различий мевду размерам и массой оомян из мало- и' многоеемян-ных бобов. Семена растений, имеющий более высокую феотильность семяпочек и формирующих относительно многосемянные плоды (выше ' 4,5 семян в среднем на один боб) обладают более высокой энергией . прорастания и всхожестью (на 11,0 - 24,3$), чем семена растений о малосемянными плодами.

8. Наличие щуплых семян у раотений не зависит от типа опыле-', ния и местоположения оплодотворенных семяпбчек. Гибель семян

. (3,5 - 11,6$) или их неполноценное развитие (6,4 - 8,4$) в част- '• нооти, вызвано отклоненияли в развитии зародышевого мешка еще до оплодотворения. . ' .

Список работ, опубликованных по теш диссертации:

1. Орел Л. II., Константинова Л. Н., Огородникоза В.Ф., Вишнякова М.А., Дзюбенко Н.И., Казачковская Е.Б. Отбор растений люцерны с высокой плодовитостью завязей: методические указания. -

Л., ВИР, 1905. - 36 с.

2. ОрелЛ.И., Константинова Л.Н., Казачковская Е.Б. Морфоло-глчеокио признаки фортильносги и стерильности семяпочек и зороды-шевыз мешков люцерны // Научи.-техн.бюл.ВИР.- Л., 1987.- Вип.170. - С.5-8.

3. Казачковская Е.Б., Константинова Л.Н. Аномалии в развитии зародышевых мешков люцерны // Тезисы докл. Всосоюз.совещ. по цветения, опылению и семенной продуктивности растений. - Пермь,1987. -С.ЗЗ.' '

4. Орел Л.И., Казачковская Е.Б. Эмбриологические особенности ивотков разного возраота у люцерны'// 06.науч.тр. но прикл.бот., ген. и сел.- J1., 1989. - T.I24. - С.25-30.

5. Орел Л. И., Константинова Л.Н., .Дзюбенко Н.И,, Казачков -■екая Е.Б. Экспресс-методы определения фертильности зародышевых.

мешков .люцерны: методические указания.-Л., ВИР, 1988. - 28 о.

6. Орел Л.И., Константинова Л.Н., Дзюбенко Н.И., Казачков -екая Е.Б. Способ определения жизноопоообности зародышевых мешков люцерны: авторское свидетельство й 1540727, 1989.

7. Казачковская Е.Б. Морфологическое проявление стерильности у люцерны // XI Международный симпозиум "Эмбриология и семенное размножение", 3-7 июля, Ленинград, 1990. - С.72.

8. Орел Л.И., Казачковская-Е.Б. Эмбриологическая гетерогенность - как причина снижения семенной продуктивности люцерны // Ботанический журнал. - 1991. - Т.76, Л 2. - C.I6I-I72.

9. Казачковская Е.Б., Морфология зародышевых мешков у люцерны и методы ее оценки // Науч.-техн.бюл.ВИР. - Л., 1991. -

Вып.207. - С.70-71.

10. ОрелЛ.И., Казачковская Е.Б., Семенова Е.В., Дзюбенко Е.А., Дзюбенко Н.И. Способ выделения и характеристика типов растений с полной женской стерильностью у люцерны: методические указания.- Л., ВИР,' 1991. - 28 с.

11. Казачковская Е.Б., Вишнякова М.А'., ОрелЛ.И. Самонесовместимость и отмирание семяпочек до опыления как факторы снижения семенной продуктивности Medicago sativa . и Medicago varia

( Febeceae ■) //Ботан.журн.- 1991.-.T.76,Jí I2.-C.4I-54. ■

18 • ' ■ '.¡//^ ' '

A