Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эмбриологические особенности TRIFOLIUM TRICHOCEPHALUM BIEB. и TRIFOLIUM PANNONICUM JACQ. при интродукции на Среднем Урале в связи с низкой семенной продуктивностью

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Эмбриологические особенности TRIFOLIUM TRICHOCEPHALUM BIEB. и TRIFOLIUM PANNONICUM JACQ. при интродукции на Среднем Урале в связи с низкой семенной продуктивностью"

1 П '"I

российская сельскохозяйственная академия

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

На правах рукописи

зилншцкля

Светлана Анатольевна

УДК 633.32:581.3

ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТК1РОЕ11Ш ТК1СНОСЕРНАИ_)Л\ В1ЕВ. И ТЮЕОЬИШ РА^ОГМСШЛ JACQ. ПРИ ИНТРОДУКЦИИ НА СРЕДНЕМ УРАЛЕ В СВЯЗИ С НИЗКОЙ СЕМЕННОМ ПРОДУКТИВНОСТЬЮ

Специальность: 03.00.05 — Ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена и отделе цитологии и анатомии Всесоюзного ордена Ленина и ордена Дружбы народов научно-исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилова и Ботаническом саду Уральского государственного университета им. А. М. Горького.

Научный руководитель — доктор биологических наук J1. И. Орел.

Официальные оппоненты: доктор биологических паук О. П. Камсли-на; кандидат сельскохозяйственных паук Н. И. Дзюбенко.

Ведущее учреждение — Свердловский педагогический институт.

Защита диссертации состоится Ск^г^г^суС-^ 1992 г_

в часов па заседании Специализированного совета (Д 020.18) по

защите диссертаций при Всесоюзном ордена Ленина и ордена Дружбы пародов научно-исследовательском институте растениеводства им. II. И. Вавилова, по адресу: 190000, г. С.-Петербург, центр, ул. Герцена, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан » 1992 р

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор сельскохозяйственных наук

«П. В. Сазонова

общая характеристика работы

. . в

" 'Актуальность тем;. Один из возможных путей создания устойчивой высокопродуктивной базы для животноводства - привлечет«? в сельскохозяйственную практику нетрадиционных видов растений. Из используемых в настоящее время в сельскохозяйственной практике кормовых трав, одними из самых ценных являются клевера, которые воз- • делывают в полевых кормовых севооборотах, широко используют для улучшения естественных кормовых угодий, создания культурных сенокосов и пастбищ. При возделывании клеверов существенно улучшается структура почвы, происходит обогащение ее азотом. Многие вида клевера являются ценными медоносами. Традиционно в кормопроизводстве широко используется клевер луговой, имепций целый комплекс ценных качеств. Однако,' в культуре клевер луговой представлен в основном сортами, не отличающимися долголетием.

Для создания высокопродуктивных лугов долгосрочного типа целесообразно введение в культуру и вовлечение в селекционный процесс новых видов клевера, в частности, видов с многолетней вегетацией.

Среди интродуцированных на Среднем Урале многолетних клеверов, обладающих рядом хозяйственно-ценных признаков, выделяются два вида: ТгЦГоНигл trichoccphal^]Jl Б1сЪ., Чт1ГоНил раппсшхсига

■Тасд« Однако, в условиях Среднего Урала эти виды имеют невысокую семенную продуктивность. Имеется комплекс' причин, наиболее часто обусловливающих низкие урожаи семян клевера. Среди них - недостаток насекомых-опылителей, высокая влажность воздуха во время цветения и низкие температуры во время созревания семян, агротехнические просчеты. Значительную роль в снижении выхода семян играют нарушения в развитии репродуктивных органов. Поэтому проведение селекции на повышение "семенной продуктивности предполагает прежде всего выяснение причин, вызывающих снижение урожая семян, а значит, исследование' репродуктивных процессов растений. Это исследование тем более необходимо при изучении новых для культуры видов, которыми являются клевер волосистоголовый и паннонский.

Цель и здрдчц исследование. Цель работы - на основе изучения эмбриологических особенностей.двух видов клевера, выяснить причины низкой семенной продуктивности и определить возможности использования эмбриологического метода в селекции.на повышение семенной продуктивности перспективных кормовых растений - клевера волосис-тоголового и паннонского. . .

В задачи исследований входило:

- изучить эмбриологические особенности и закономерности биологии цветения двух видов клевера при интродукции на Среднем Урале;

- выявить причины низкой семенной продуктивности;

- разработать критерии и метода оценки семенной продуктивности растений кловера;

- па основе оценки полиморфизма эмбриологических признаков исследованных видов, разработать методы проведения селекции на повышение семенной продуктивности.

Научная новизна исследований. Впервые проведено изучение эмбриологических особенностей новых для культуры видов клевера воло-' систоголового и паннонского. Установлены причины их низкой семенной продуктивности, прослежена динамика снижения семемой продуктивности каждого вида. Получены данные о значительной внутривидовой изменчивости уровня семенной продуктивности у обоих видов. На основе эмбриологического изучения, определены критерии и методы оценки семенной продуктивности растений каждого вида.

Црактцческая ценность данной работы состоит в том,' что на основании предложенных методов оценки семенной продуктивности клевера волосистоголового и паннонского, проведен анализ растений из питомника индивидуального отбора лаборатории.пнтродукции и селекции многолетних трав ботанического сада Уральского университета,, в ре-' зультате котброго выделены высокопродуктивные растения для дальнейшей селекционной работы. Намечены пути разработки эмбриодогическо-■ го метода для отбора растений с повышенной семенной продуктивностью.

Полученные данные об эмбриологических особенностях двух видов . клевера используются при чтении курса лекций "Эмбриология покрытосеменных растений" на кафедре общей экологии и ботаники Уральского университета. . '

Апробация рпботц. Результаты исследований доложена на XI Международном сшщозиуме|,Элфишгая и семенное размножение". (Ленинг- . рад, 1990), на Всесоюзной конференции молодых ученых'"Современные проблемы генетики и селекции сельскохозяйственных растений" (Одесса, 1991), в отделе цитологии и анатомии ВИР.(1990, 1991, 1992гг). По материалам диссертационной работы опубликовано 3 статьи.

Объем работы. Диссертация изложена на 104 страницах машинописи, в том числе 21 рисунок и микрофотографии, 10 таблиц и 2 приложения. Список литературы содержит 99 наименований, из которых 26 иностранных. ' *

новые для культуры виды кливера - волосистоголов1.й и паннон-

ский (ботаническая характеристика)

Клевер волосистоголовый - Trifolium trichocepbalim Bieb. относится к секции Stcnontoma Gib. et Belli, рода Trifolium Ь.По данным И.Я.Лагашвили (1977), данный вид является одним из представителей трибы Trifoleao, объединенных в кавказско-переднеазпатс-■ ком типе ареала; встречается на Кавказе, в Передней Азии и является их общим эндемиком. Это многолетнее полихарпическое растение, распространенное в субальпийском, альпийском поясах, paie спускается в верхний лесной пояс; произрастает па лугах и травянистых склонах (Гроссгейм A.A., 1952).

Литературные данные свидетельствуют о таких ценных качествах этого вида как засухоустойчивость, зимостойкость, высокие и стабильные урожаи зеленой массы (Ильина Е.Я., 1987), высокое содержание белка (Новоселова A.C., 1986). Кроме того, это медоносное и декоративное растение (Халилов Э.Х., 1970). Веготация этого вида на Среднем Урале продолжается 10-12 лет. Разница в сроках цветения при интродукции и в естественных условиях на Северной Кавказе, по нашим наблюдениям, составляет 2-3 недели (Чулкова С.А., 1990).

Разнообразными положительнымя качествами отличается и клевер паннонский - Trifolium pannonicum Jacq. секция Stenoatoma Gib. ot Belli, рода Trifolium L. Распространен этот вид на юге Средней Европы, в Восточных Карпатах, на западе Украины, занесен в Ленинградскую область (Ларин И.В., 1956), Растет на опушках, в светлых лесах, на сухих лугах. Многолетнее поликарпяческое травянистое растение; глубокоукореняющееся с мощной корневой системой, с прямыми до 80 см высотой стеблями. По кормовой ценности близок к клеверу ■ луговому (Ларин И.В., '1956). Вегетирует в течение 15 лет.

Успешная первичная интродукция в географически отдаленном от их ареала районе Среднего Урала свидетельствует о широкой экологической пластичности этих видов (Ильина Е.Я., 1987). •

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве исходного материала были взяты образцы разных лет жизни клевера волосистоголового и пашюнекого из коллекции лаборатории селекции и интродукции многолетних трав ботанического сада Уральского университета. Первоначальное исследование проводилось на 20 контрольных растениях. По результатам дпф$еренцировки группы контрольных'растений по уровни продуктивности и изучения эмбри-

ологических особенностей.каждой особи, проведен анализ 200 растений образцов В-39-90 и В-46-90 из питомника индивидуального отбора. В качестве контроля использовался районированный сорт клевера лугового Красноуфпмский 882 (пзколлекции ботанического сада Уральского университета), сорт Сиворицкий (из коллекции ВИР), образцы дикорастущего клевера этого вида (район г.Пушкина), а также образцы дикорастущего клевера волосистоголового (Северный Кавказ, Ада-гея, плато Лаго-Наки).

В работе определялись следующие показатели: число генеративных побегов, число цветков в соцветии, количество поврежденных цветков, число фертильных зародышевых мешков к началу цветения, . число ноошлониых цветков, число завязавшихся семян, степень фер-тильности пыльцевых зерен и их размеры, количество нарушений на стадии тетрад микроспор. Дифференциация контрольных особой по уровню продуктивности проводилась по числу завязавшихся семян после 100$ принудительного опыления. •

Пыльники фиксировали в растворе Чеыберлена и в растворе Кар-нуа. Степень фертильности'пыльцевых .зерен, их размеры и число па-рушений на стадии тетрад микроспор определяли на временных препаратах, окрашенных по общепринятой методике в ацетокармине (Пауше-ва З.П., 1974).'

В работе использовали полутонкие срезы пыльников, полученные из материала, залитого в эпоксидные смолы и прокрашенные толуиди--новым синим•

Семяпочки и зародышевые мешки исследовали на временных препаратах, приготовленных после обработки, фиксированного в ацетоалко-голе (3:1), материала в просветл/пощей среде (5% раствор КОН или этиловый эфир салициловой кислоты) (Отбор, ... ,'1985) и последующего вычленения зародышевых мешков.

Наблюдения и фотографирование вели под световым микроскопом МШ-6 о фотонасадкой.'

На выделенном зародышевом меже проводили гистохимические тесты на химический состав оболочки зародышевого мешка и наличие ку-

■ тикулы с помощью раствора цинк-хлор-йод (Дженсен У., 1965). Наличие крахмала в тканях семяпочки и зародышевого мешка определяли с

■ помощью раствора йода в йодистом калии.

Эффективность опыления -определяли по наличию лыльцевых зерен на рыльце пестика и их прорастанию методом люминесцентной, микроскопии (Отбор ... , 1985). Этот же метод .использовали при изуче-г нии роста пыльцевых трубок u столбкко пестика и завязи, при опре-

делении сравнительной скорости' роста пыльцевых трубок у и.'соко-п низкопродуктивных растений после темпоральной фиксации (через 22 и 48 часов после опыления), а также для определения локализации каллозы в тканях семяпочки.

Наблюдение и фотографирование проводили в У5-лучох, используя микроскоп Лшаи с фотонасадкой.

Математическую обработку данных - корроляциониП и факторный анализ по мотоду главной компоненты (!Гмидт D.M., 1984-; Елькин Ю.А., Чибрик Т.О., 1990) - проводили с использованием ЭШ ЕС - 1033 вычислительного центра Уральского университета.

РЕАЛЬНАЯ И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ СКГ.ГЕ1П1ЛЯ ГЩЩГСТЯШССТЬ КЛЕВЕРА ВОЛОСИСТОГОЛОВОГО И ПАННОНСКОГО .

Изучение элементов семенной продуктивности показало, что растение клевера может иметь от 3 до 76 соцветий, причем, это значение изменяется не только у разных особей, но и у одного растения в разные годы жизни'. Нименыпее их число от 3 до 23 соцветий ¡мели растения второго и последного лет жизни. У клевера паннонского это значение составляет от 6 до 90 соцветий на растение, причем, уже на втором году жизни (т.е. в первый год плодоношения) число соцветий может достигать 40, хотя в среднем оно меньше, чем в последующие годы.

Одно соцветие клевера волосистоголового имеет от 40 до 232 цветков, клевера паннонского - от 21 до 115. Этот показатель также изменяется с возрастом растения, но иначе, несколько уменьшаясь в последние годы жизни. Значительно увеличивается с возрастом число цветков, поврежденных насекомыми.

Относительно более постоянным является число семяпочек, заложенных в завязи. Изменения этого числа до-1,3,4 семяпочек единич--ны среди тысяч завязей, содержащих две семяпочки.

Таким образом, потенциальная семенная продуктивность у обоих видов достаточно высока и даже при наименьших значениях элементов семенной продуктивности не может быть меньше 240 семяпочек на растение. Фактически, уже на втором году жизни составляет у клевера волосистоголового от 530 до 3290, а у клевера паннонского - от 480 до 3600 семяпочек на растение и значение ее с возрастом увеличивается. ' •

Многолетние данные свидетельствуют, что коэффициент продуктивности составляет для клевера волосистоголового 12$, а для клевера паннонского - 255? (Ильина Е.Я. ,-1986,1987). По нашим данным,пря

а

| £

Рис. I. Динамика снижения потенциальной семенной продуктивности.

а - клевер волосистоголошп; 6 - клевер паннонский. щ - засыхание бутонов; ^ - стерилизация семяпочек; ^ - отсутствие опыления;

^ - снижение семенной продуктивности после опыления; [—| - реальная семенная продуктивность.

принудительном перекрестном опылении этот показатель был выше, составив в средном 18,6',^, а у клевера паннонского - 29,6$.

Следовательно, семенная продуктивность двух видов клевера характеризуется низкой степенью реализация потенциальных возможностей» В тс же время понятно, что плодовитоегь популяции, состоящей из особей, каждая из которых образует в' среднем несколько сотен семян за один сезон и вегетирущая в течение 10-15 лет, достаточна для ее нормального возобновления в ценозе, но такой урожай семян недостаточен для производственного использования.

Динамика изменения семенной продуктивности показана на рис.1. До начала цветения незначительное снижение происходит из-за засыхания цветков в бутонах, по-видимому, в результате действия засухи в период их формирования. • '

Существенное влияние на семенную продуктивность оказывает отсутствие опыления. Цветки обоих видов охотно посещаются шмелями, но в связи с общей нехваткой опылителей, около 2А% цветков . • клевера волосистоголового и почти 11% цветков клевера паинонско-го остаются неопылешшш. Разница в этом показателе у двух видов Объясняется более ранним сроком цветения клевера волосистоголового, до начала массового лета шмелей. ,

Основным лимитирующим фактором является стерилизация семяпочек. Известно, что отмирание определенного числа семяпочек обусловлено закономерностями репродуктивной биологии видов. Имеющаяся к настоящему времени информация о генах, детерминирующих развитие зародышевых мешков, дает возможность предположить генетическую ' обусловленность гибели женского гаметофита (Орел Л.И., СеменоваЕ.В.

1989). Генотипические особенности отдельных особей клевера воло-систоголового и паннонского обусловливают внутривидовую изменчивость обоих видов по степени стерильности семяпочек. Внутривидовые различия составляют для клевера волосистоголового от 36 до 72%, а для клевера паннонского - от 20 до 59,Эти различия безусловно отражают индивидуальные способности растений к формированию большего или меньшего количества фертялышх семяпочек. Средний для вида уровень стерильности семяпочек составляет 46$ для клевера волосистоголового и 44% для клевера паннонского. Общее число стернлышх семяпочек различается для особей одного вида, в то же время не изменяется у одного и того же растения в разные'годы жизни. Это подтверждает генетическую природу процесса стерилизации семяпочек. Незначительное влияние внешних факторов объяснимо с точки зрения биологической закономерности о консервативности устойчивости и защищенности женской репродуктивной сферы от неблагоприятных внешних воздействий (Поддубная-Арнольди В.А., 1976; Куприянов П.Г., 1990). Исходя из этого, можно предположить стабильность количественных показателей процесса стерилизации и возмож- . ность их использования для прогнозирования уровня реальной семенной продуктивности.

Как видно из рио.1, определенная часть семязачатков дегенерирует и после опыления. В среднем для клевера волосистоголового эти потери составляют 17%, а для клевера паннонского - 20!?. Снижение семенной продуктивности на этом этапе обусловлено разными причинами, Известно, что неблагоприятные погодные условия наиболее сильное влияние оказывают на процессы опыления, изменяя скорость рос-, та пыльцевых трубок, а также на процессы эмбриогенеза и созревания семян. В то же время дегенерация определенной части семязачатков после опыления может быть обусловлена генетически. Определенное ' влияние на снижение семенной продуктивности после опыления оказывает отсутствие дегенерации нуцеллярных тканей, показанное нами для клевера волосистоголового.

' ^КРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ Тг1£о11ип ■Ьг1сЬосерЬа1ш1 В1еЪ., ГгАГоНиш рагшоп:1сш> Jacq.

Развитие рнльника ц пыльцы. В норме развитие мужской генеративной сферы характеризуется следующими черта:,га. Субэпидермальный первичный археспорий дает начало первичному париетальному слою и „ вторичному археспорию. В результате двух делений первичного париетального слоя формируется четырехслойная стенка пыльника, срстоя-

.' о

щая из эпидермиса, эндотедия, среднего слоя и тапетума. Тапетум секреторного типа. Средний слой дегенерирует в период образования тетрад микроспор, формирование которых происходит по симультанному типу. Расположение микроспор в тетрадах - тетраэдричес- . кое. Из изученных нами образцов только дикорастущий клевер луговой содержал большое количество диад (17,4$), триад (20,3$), тетрад с пикнотическими ядрами (10,2$), пентад (11,6$), гексад (4,3$) и гептад (2,9$). У остальных образцов нарушения в микро-спорогеиезе крайне редки.

Зрелые пыльцевые зерна двухклеточные. Наибольшим числом стерильной пыльцы отличается клевер луговой. У клевера волосистоголо-вого ц паннонского стерильность пыльцы различалась по годам, но возраст растения не являлся определяющим, напротив растения более старые по возрасту могли иметь более полноценную пыльцу. Стерильность пыльцы клевера волосистоголового составила в различные года от 2,8$ до 25,0$.' Клевер паннонский .имел также достаточно низкий процент стерильных пыльцевых зерен; от 2,4 до 11,8$ в разные года. •

Таким образом, изучение пыльника и пыльцы показало, что развитие их у клевера волосистоголового и паннонского не обнаруживает существенных отклонений от нормы. Небольшое число стерильных пыльцевых збрен, образующихся в пыльниках у обоих видов, не может являться фактором снижения семенной продуктивности. . •

Развитее сем.^гочкц ц зародышевого мешка, В одногнездной завязи закладываются две кампилатропные семяпочки, по мере развития, изгибающиеся к ее верхушке. Семяпочка двупокровная. Нуцеллярные ткани в норме сохраняются только, в халазальной части. Однако, в большом количестве семяпочек к моменту цветения' процесс дегенерации нуцеллярных тканей не заканчивается, в результате чего зрелый зародышевый мешок окружен нуцеллярным эпидермисом, а с микропиляр- . ной стороны - нуцеллярным колпачком. Клетки нуцеллярного колпачка имеют мощные клеточные стенки, содержащие каллозу, заполнены крахмалом. Крахмал содержится также и в клетках,нуцеллярного эпидермиса.

Структура' зародышевого мешка в норме соответствует Polygonum -типу. Антипода эфемерны, дегенерируют очень рано. '" '• Семяпочка по морфологическим признакам.классифицируется как фертильная ко времени цветения в том случае, если .содержит яйцевой аппарат и центральную клетку с двумя или одним ядром. К началу цветения около 50$ семяпочек этой структуре не соответсг во-вало. Основные нарушения в строении семяпочки и зародышевого меш-

ка можно свести к пяти основным типам:

1. Дегенерация элементов яйцевого аппарата и центральной клетки. Это наиболее часто встречающиеся виды нарушений: дегенерация яйцеклетки, синергид или в целом яйцевого аппарата; одновременная дегенерация яйцевого аппарата и полярных ядер; как исключение встречается дегенерация полярных ядер при нормально развитом яйцевом аппарате.

' Процесс дегенерации достаточно часто связан с отсутствием каких-либо или всех элементов зародышевого мешка.

2. Остановка в развитии зародышевого мешка. Зародышевые мешки такого типа значительно меньших размеров, чем фертилыше. Признаки дегенерации нуцеллярных тканей отсутствуют. Яйцевой аппа- ■ рат и центральная клетка дегенерированы или отсутствуют. По-видимому, ранняя стерилизация элементов зародышевого мешка связана с остановкой в развитии окружающих тканей семяпочки.

3. Отсутствие дифференциация элементов яйцевого аппарата и центральной клетки. Элементы зародышевого мешка представлены тремя или четырьмя клетками, не имеющими характерной для яйцеклетки, синергид-и центральной клетки формы и расположения относительно друг друга. Этот тип аномалий, возможно, является частным случаем предыдущего. Но морфологически такие семяпочки отличаются от описанных выше нормальным состоянием нуцеллярных тканей,

4. В полости зародышевого мета иногда встречаются дополнительные или лишние ядра. При этом основные элементы могут как соответствовать норме, так и проявлять признаки дегенерации.

5. У клевера волосистоголового- обнаружена аномалия семяпочек, связанная с недоразвитием интегументов. Подобная мутация была Обнаружена ранее у ЛЩерНН ( В1псЬап е.т., Наик1п£3-РГез.^ег

1., 1984). Установлено, что данный признак наследуется моноген-но. При наличии двух рецессивных аллелей этого гена недоразвитие интегументов приводит к стерилизации семяпочки. У лвдерны, при достаточно большом объеме исследованных растений,были найдены особи,, у которых все семяпочки обнаруживают эту мутацию (Орел Л.И. и др., 1991). Для клевера волосистоголового (по крайней мере для изученных нами растений) полная женская стерильность не характер- • на, однако, обсемененность та^их растений чрезвычайно мала даже по сравнению с достаточно низким средним уровнем. В результате недоразвития интегументов микропилярная часть зародышевого мешка оказывается незащищенной покровными тканями семяпочки. Препарирование и изучение зародышевых мешков из таких семяпочек показа-

ло, что большая их часть имела какие-либо нарушения в структуре и, следовательно, является стерильной. Аномальное расположение микропилярной части такого зародышевого мешка за пределами семяпочки легко наблюдается под микроскопом МБС, без какой-либо дополнительной обработки. Это обстоятельство было использовано нами при проведении индивидуальной оценки особей, включенных в отбор на повышение семенной продуктивности, для отбраковки низкопродуктивных растений.

Стерильность семяпочек при нарушении процесса дегенерации КУцеллдтоих тканой. У обоих видов клевера описаны нарушения в процессах дегенерации нуцеллярных тканей. По сравнению с нормой, когда ко времени цветения происходит полная элиминация нуцелляр-ного колпачка и нуцеллярного эпидермиса, в некоторых семяпочках происходит задержка дегенерации и зрелый зародышевый мешок не освобождается из нуцеллярной оболочки. Последствия такой задержки могут стать вполне понятны только в том случае, если точно будет определена роль нуцеллярной ткани.в ее взаимодействии с женским гаметосЬитом. По-видимому, можно учитывать роль нуцеллярного эпидермиса в качестве промежуточного звена между женским гаметосЬитом и окружающими тканями спорофита в области халазы.

, Не вполне ясным является вопрос о функциях и роли в развитии женского гаметофита нуцеллярного колпачка. Имеющаяся информация сводится к констатации наличия такой структуры нуцеллярной природ да у представителей некоторых семейств (Боумен Ф., 1990). Известно, что образований нуцеллярного колпачка происходит в тех случаях, когда клетки нуцеллярного.эпидермиса делятся периклинально, в результате чего эпидермис становится многослойным.

Имеются данные о наличии нуцеллярного колпачка и у других видов клевера ( Мпйиагаь й., 1964; Огородникова В.Ф., 1989); По данным й- ШпОкагзЬ (1964), нуцеллярный колпачок должен дегенери- . ровать до оплодотворения. В нашем исследовании нуцеллярный колпачок сохранялся в недегенерированном состоянии у 38$ просмотренных зародышевых мешков клевера волосистоголового и у Ъ2% зародышевых мешков клевера паннонского. Тот факт, что большая часть зародышевых мешков нуцеллярных колпачков к началу цветения нё имела,'кос-"венным образом указывает на то, что дегенерация нуцеллярного колпачка действительно являетоя нормой.

Возможно, что нуцеллярный колпачок может способствовать росту пыльцевых трубок, если в нем будет сформировен проход для пыльцевой трубки путем разрушения клеток или их ослиз.нения.

'' a'!

• .a

,-г -V

a

3-'* s

•9 •„

V с

s-

Рис. 2. Взаиморасположение в Факторном пространство признаков состояния женского гаметоФита к началу цветения (1-9).

а - клевер волосистоголовый; б - клевер паннрнский.

х) цифровые обозначения признаков соответствуют значениям, приведенным к рис. 3.

Поскольку ни у клевера волосистоголового, ни у клевера паннонс-кого подобных изменений не происходит, то, судя по всему, нуцел-лярный колпачок положительной роли в судьбе пыльцевой трубки но играет. Мы наблюдали рост пыльцевой.трубки над нуцеллярным кбл-пачком. В этих случаях пыльцевая трубка росла, образуя многочисленные ответвления, меняя направление роста, который продолжался на по направлению к микропило, а по поверхности нуцеллярного колпачка. В норме, мы таких аномалий роста не наблюдали. Литературные данные свидетельствуют, что подобные аномалии роста пыльцевой трубки,могут быть результатом ее роста в неблагоприятных условиях (Вишнякова H.A., 1989; ateer м., steer j.m., 198Э). Таким образом, мы предполагаем, что' недегенерированный нуцеллярный колпачок является физической помехой для проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок.

По-видимому, следует рассматривать отсутствие процессов де-. •генерации, нуцеллярных тканей как показатель неблагополучного состояния'женского гаметофита и потенциальной возможности его стерилизации.

Результаты корреляционного и свацтопного анализов состояние женской репродуктивной системы и семенной продуктивности. По изу-• ченным признакам женской репродуктивной системы были проведены корреляционный и факторный анализ.

Результаты их значительно различаются по двум иссладованным видам клевера. •

У клевера волосистоголового выявлена сильная отрицательная связь между семенной продуктивностью и степенью нарушения деге-

/ ^ / 9--

:-. / --в

<Г г

Рис. 3. Графы сходства между признаками состояния женского гаметофита к началу цветения (1-э)е.

а,б - клевер волосистоголовый; в.г - клевер паннонский; а,в - данные за 1989в; б,г - данные за 1990г.

_ положительная корреляционная связь; '

___ отрицательная корреляционная связь.

I - реальная семенная продуктивность;

2,3 - степень нарушения дегенерации нуцеллярных тканей;

4,5 - число Фертильных семяпочек с дегенерированными. нуцеллярны-ми тканями;

'6,7 - число фертильных оемяпочек с частичнодегенерированными нуцеллярными тканями;

8,9 - число фертильных семяпочек, независимо от состояния нуцеллярных тканей. .

' нерацли нуцеллярных тканей ( г = -0,70). Сильная положительная . корреляция проявляется между числом образованных семян и Зародышевых мешков без нуцеллярной оболочки ( г = 0,80).

.Факторизация признаков по. методу главных компонент позволи- ■ ла выделить по первой компоненте, извлекающей максимум диопероии из корреляционной матрицы, три связанные группы признаков. Признак семенной продуктивности тесно связан с числом Фертильных зародышевых мешков с полностью дегенерированными нуцеллярными тканями. Расположение признака степени нарушения дегенерации нуцеллярных тканей в Факторном пространстве' противоположно расположению группы семенной продуктивности. Относительно независимо располагается признахобщего числа фертильных семяпочек к моменту цветения (рис. 2а).

Взаимосвязь признаков по первой компоненте четко определила, что наиболее перспективным для прогнозирования способности особей клевера волосистоголового к семяобразованлю являются признаки степени нарушения дегенерации нуцеллярных тканей и числа зародышевых мешков с лизированными нуцеллярными тканями. ' •

У клевера паннонского факторрнй анализ связывает семенную

г

.5

Ч

'9

'2

"б '9

Г

Рис. 4. Расположение в факторном пространстве контрольных растений (1-9).

а - клевер волосистоголовый; б - клевер паннонский.

продуктивность прежде всего с числом фертильных зародышевых мешков, независимо от состояния нуцеллярных тканей (рис. 26). Расположение остальных признаков в факторном пространстве относительно независимо.

Геометрическое изображение результатов корреляционного диализа с построением графа .сходства показало, что структура связей, между введенными признаками, повторяется и по годам для одного и того же вида ( что еще раз подтверждает генетическую природу нарушений в формировании женского гаметофнта), и для двух видов клевера (рис. 3).

Анализ факторных нагрузок признаков состояния репродуктивной системы позволяет выделить группы растений, характеризующихся тем пли иным уровнем семенной продуктивности. На рис. 4 представлено расположеш!е контрольных особей в факторном пространстве, которое соответствует их делению по фактической семенной продуктивности после принудительного' перекрестного опыления..

Црог.авдан Фа&а оплодотворенщ. Анализ свободного опыления показал благополучное положение -во время прогамной фазы оплодотворения у двух видов клевера, единственным лимитирующим фактором которой может стать только отсутствие опыления.

Мы показали, что естественная разница в скорости роста пы-льцеЕЫХ трубок, наблюдаемая при свободном опылении, может объясняться их принадлежностью пыльцевым зернам высоко- и низкопродуктивных .растений.

Среди, контрольных'растений, продуктивность которых.была 1 оценена по состоянию женского гаметофнта (рис. 4) и семенной продуктивности, были выделены растения высоко- и низкопродукти-

i

вине. Между нши был проведен ряд скрещиваний по схеме:

*Н «Ли

а *<?1

х) ц-высокопродуктивное растение, хх)Ь-низкопродуктивное растение Через 22 и 48 часов после опыления цветки были зафиксированы и

. скорость роста пыльцевой трубки оценена в баллах от I до 6 по их длине в столбике пестика при анализе в УФ - свете.

Полученные результаты свидетельствуют, что скорость роста пыльцевых трубок высоко- и низкопродуктивных растений различается. Скорость роста пыльцевых трубок высокопродуктивных растений обоих видов клевера превосходит этот показатель низкопродуктивных растений. ' •

Сравнивая скорость ро.ста пыльцевых трубок высоко- и низко1-продуктивных растений в скрещиваниях »н* ¿"Н ; »н «»"ь и «ь * ; ?Ь х /Н , можно утверждать, что при попадании на рыльце пестика растения любого уровня продуктивности смеси пыльцы, оплодотворение будет проводить преимущественно пыльца от высокопродуктивных растений.

Сравнительно низкая скорость роста пыльцевых трубок в скрещиваниях * ¿"Ь может не оказать существенного влияние на обра-

• зованиэ семян у клевера паннонского. Достаточно длинный срок сохранения жизнеспособности зародышевых мешков этого вида клевера позволяет несколько увеличить время прогамной фазы оплодотворения. Иначе обстоит дело дая клевера волооистоголового. Показано, что срок сохранения жизнеспособности его зародышевого мешка составляет 3-4 суток. Через 48 часов после скрещивания низкопро-

• дуктивных растений пыльцевые трубки наблюдались в завязи в еда-■ ничных случаях. Следовательно, малейшая задержка опыления приведет к тому,.что ко времени оплодотворения зародышевый мешок будет нефункционален. Это обстоятельство увеличивает зависимость

'урожая.семян клевера волосистоголового от того, какую часть популяции будут Составлять низкопродуктивные растения.

Использование эмбрцодогцчесщх ррцзнацов для опенки. растений ^левер^ волосистоголового ц паннонского. включенных; в отбор ца повышение семенной цродукдивцоозд. Результаты проведенного исследования .свидетельствуют, что состояние женского гамэтофита к началу цветения у клевера волосистоголового и паннонского соответствует уровню реальной продуктивности и может характеризо-

вать способность особей к образованию большего или меньшего числа семян.

Полученные данные позволили нал продхожить методику оценки особей, включенпше в отбор на повышение семенной продуктивности. Эта мотодика позволяет объективно и достаточно быстро одонить индивидуальные возможности растений к ссчугобразонапшо, избегая многолетних учетов фактической семенной продукпшюсти, и независимо от условий опыления. Данная петодяка предполагает:

Для клевера волоснстоголового -

1. Отбраковку растений, имеющих семяпочки с нэдорпзиптши интегументами. •

2. Оценку способности к сешобраповинип по стоппни нарушения дегенерации нуцеллярних тканей, с учотом количества образо-вашшх дашшм растением соцветий.

Для клевера паинонского

I. Оценку способности к ссмяобразовашто по числу фортильных зародышевых мешков, с учетом количества образованных'данным растением соцветии.

В настоящее время проводится оценка коллоюти'клевера коло-систоголового и клевера паинонского из питомника индивидуального отбора ботанического сада Уральского университета.Онидаемая оце-, inca, т.е. оценка уровня семегаой продуктивности, полученная по предложенной нами методике, была проконтролирована фактической семешшй продуктивностью у 44 растений образца В-39-90 и подтверждена у большинства особей. .

' выводи

1. Эмбриологическое изучение Trifolium triclioeephaluw Bieb.

• Trifolium pannoniüum jaca,, лнтродуцировашшх на Среднем Урале показало, что в процессе развития мужской генеративной сферы формируется четнрохслойная стенка пыльника, состоящая из эпидермиса, эндотеция, среднего слоя и тапетуиа секреторного типа. Образование тетрад микроспор происходит по синультан-

.'ному типу, расположение микроспор з тетрадах тетраэдрическое. Зрелые пыльцевые зерна двухклеточше. Формирований женской ге-. неративной сферы характеризуется галояением двух кампилотропных . семяпочек в одногнездной завязи. Семяпочки двупокровнно, Струк-

• , тура зародышевого мешка соответствует Poly^onum -тину.

2. Т. trichocophal шл, Т. par.j'onicuu характеризуются ВЫСОКОЙ потенциальной семенной продуктивностью, однако, ое реами-

зация крайне низка. Коэффициент продуктивности составляет в среднем 12$ рля клевера волосистоголового и 25$ ~ для клевера паннонского.

3. Основными причини-ш низкой семенной продуктивности иг1с1юоср11а11т и т. panr.oni.cum при интродукции на Среднем

Урале -является отсутствие опыления и нарушешя развития женского гаыотоФята.

4. Изучение пыльников показало, что количество Фертильной пыльцы у обоих видов клевера достаточно для оплодотворения, не-значителыгоо количество стерильных пыльцевых зерен, образующихся в пыльниках, не может являться Фактором снижения семенной продуктивности.

5. В процессе снижения семенной продуктивности ведущая роль принадлежит дегенерации женского гаметсбита. Средний для вида уровень стерильности зародышевых мешков составляет 40$ для клевера врлосистоголово^о и 44% для клевера паннонского.. Кроме наруиений в структуре зародышевого мошка наблюдается за-деркна лизиса нуцеллярного эпидермиса и нуцеллярного колпачка.

6. Высоко- и низкопродуктивные растения обоих видов клевера отличаются по ряду признаков состояния репродуктивной системы. Особенности генотипов особей обусловливают внутривидовую изменчивость степени стерильности семяпочек, которая колеблется от 30 до 12% у клевера волосистоголового и от 20 до 59% у клевера паннонского. Пыльца высокопродуктивного растения характеризуется относительно более .высокой скоростью роста пыльцевых трубок по сравнения с пыльцой низкопродуктивных растений, что обусловливает естественную разницу в скорости роста пыльцевых трубок, наблюдаемую при.свободном опылении.

7. Для прогнозирования уровня семенной продуктивности тюнера волосистоголового и паннонского рекомендуется использовать эмбриологические признаки. О.сновпыл .показателем при прогнозиро- " ведши величины реальной семенной продуктивности клевера паннонского является высокое число фортильных зародышевых мешков. Присутствие ислизировавшейся ткани апикальной части нуцеллуса семяпочки к моменту опыления является показателем потенциальной стерилизации семязачатка и снижения урожая реальной.семенной продуктивности клевера волосистоголового.

3, Зыявлена высокая степень связи эмбриологических признаков атсрцльност-г. семязачатков и семенной продуктивности. На этом основании продагкек ускоренны:} способ отбора особей, включенных

в: селекционный процесс на повышение ссгенно продуктивности. ■Для клевера волосистоголоиого отбор шсоколродуктг.впих растений следует проводить преимущественно по признакам нормального раз, .вития интогумонтов и характерного лизиса аппкалькой части нуцел-луса. Для кловора панионского - по оцслпо числа фортилышх зародышевых мешков у особей с высоким числом сформированных соцветий.

' ПРАКТИЧЕСКИ ШШЕЩАЦИИ

Для отбора особо!!, вкл.очепихх. в салслщиошшл процесс га по-■вншенио семенной продуктивности без пноголетних учетов фактической семенной продуктивности рекомендуется использовать следующий порядок индивидуально:! оценки.

Для клевера волосистоголового:

I.Отбраковка растений, имеющих семяпочки с недоразвитыми ин-тегументами;

2. Оцешса способности к семясбразованил по степени нарушения процессов дегенерации нуцоллярных тканей,с учетом количества сформированных данным растением соцветий.

Методика оценки степени нарушения процессов дегенерации ну-целляргак тканей в;слючпет в себя обработку завязий раствором этилсшшцилата (Орел Л.П., и др., 1991) и последующее препарирование семяпочки в капле йода в йодистом калии при помощи микроскопа ГЛЕС. Окрашенные крахмальные зерна,- содержа.",;:ося в пуцел-лярнсм эпидермисе и нуцеллярном колпачке, позволяют судить о наличии и степени развития нуцеллярных тканей без дополнительного микроскопического исследования.

Наличие недоразвитых интегументов семяпочки определяется при помощи микроскопа !.!БС по аномальному расположению шжропи-. лярной части зародышевого мошка за пределами покровных тканей семяпочки', без дополнительной обработки.

Для клевера панионского:

Оценка способности к семяобразованию по степени фертиль-ности зародышевых мешков, с учетом количества образованных дан. Ннм растением соцветий.

Методика оценки степени фертлльности зародышевых мешков включает в себя просветление тканой сопяпочкл раствором этил-салицилата (Орел Л.И. и др., 1391). Последующая обработка, .учитывающая особенности изучаемого объекта, описана в рпз.г.ело "Методика исследований". Для опре^члоння фсртильностн или стерильности зародышевого мета необходим микроскопический ппгпиз

его структуры, что замедляет процосс оценки, но дает объективную информацию дая прогнозирования величины реальной семенной продуктивности.

По материалам диссертации опубликованы'следующие работы:

1. Чулкова O.A. Некоторые аспекты биологии клевера волосистого-ло'вого в естественных местобитаниях // Рост и продуктивность

травянистых растений / Сб. науч. тр.- Свердловск, 1990.

2. Мальцев A.B., Главацкая'Т.П., Чулкова С.А. Некоторые аспекты репродуктивной биол.огии многолетних трав // Эмбриология и семенное размножение / Междунар. croift. Тез. докл.- Ленинград, . 1990. . , • .

3. Чулкова С.А. Отбор на повышенную семенную продуктивность по цитоэмбриологическим признакам // Современные проблемы гене' тики"и селекции / Всесоюз. конф. молодых ученых. Тез. докл,-

Одессо( 1991. ;