Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Избирательность оплодотворения у сортов вторичной гексаплоидной тритикале

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Избирательность оплодотворения у сортов вторичной гексаплоидной тритикале"

¿LOP?

На правах рукописи

УДК: 631.52:633.112.9

МИТРОШИНА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА

ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ ОПЛОДОТВОРЕНИЯ У СОРТОВ ВТОРИЧНОЙ ГЕКСАПЛОИДНОЙ ТРИТИКАЛЕ

Специальность 06.01.05 -селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

14 ОКТ 2015

Москва 2015

005563390

005563390

Работа выполнена на кафедре генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева» в 2011-2014 гг.

Научный руководитель: Рубец Валентна Сергеевна,

кандидат биологических наук, доцент кафедры генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства, ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева»

Официальные оппоненты:

Тсмнрбекова Сулухан Кудайбердиевиа доктор биологических наук,

профессор, заведующая лабораторией зерновых культур, ФГБНУ «Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и гштомнико-водства»

Упелниек Владимир Петрович кандидат биологических наук,

доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории генетики растений, ФГБУН Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук

Ведущая организация: ФГБНУ «Московский научно-исследовательский институт сельского хозяйства «Немчиновка»

Защита состоится « 25 » ноября 2015 года в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 220.043.10 на базе ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева» по адресу: 127550, г.Москва, ул. Прянишникова, д. 19. Тел./факс: +7(499) 976-17-14, e-mail: dissovet@timacad.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. Н.И. Железнова РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева и на сайте www.timacad.ru

Г

Автореферат разослан « у » октября 2015 г.

Ученый секретарь ____-^ /7

диссертационного совета jj.C. Большакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования. Возделыванием тритикале в последнее время занимаются во многих странах мира. Главным образом, это обусловлено различным направлением ее использования. Как и у многих зерновых культур, недостатком тритикале может быть спонтанное переопыление между сортами. В посевах тритикале оно может достигать 1-20 % (Дударева, 2005; Федорова, 1986; Кривенко, 1986; Став-нийчук, 1987; Абрамова, Тихенко, 1987).

Такое явление, возможно, связано с избирательностью оплодотворения, которая зависит от многих факторов (физиолого-биохимических особенностей пыльцы и пестиков, от метеорологических условий и др.) (Горин, 1953; Куркиев, 2006; Лю Да Цзюнь 1959; Пыльнев, 1963; Пухальский, 1973).

Вероятность явления избирательности оплодотворения у растений повышается вследствие открытого цветения. У тритикале оно находится на довольно высоком уровне, более 60% (Пугачева и др., 1983; Шулындин, 1971). Именно в таком состоянии в цветки тритикале имеет возможность попасть пыльца другого сорта. Если она окажется более конкурентоспособной, чем пыльца собственного сорта, то в итоге возможно появление гибридных семян. В дальнейшем это явление приводит к биологическому засорению посевов.

Известно, что благоприятный исход оплодотворения зависит от процессов, происходящих в прогамную, собственно оплодотворения и постгамную фазы оплодотворения. В этой области исследования работы по тритикале не многочисленны. Было установлено, что во многом все эти процессы сходны с пшеницей (Симинел, Киль-чевская, 1984; Ставнийчук, 1987). Современные сорта тритикале характеризуются относительно высоким уровнем фертильности пыльцы (Wedzony. 1996; Fritz et al., 1989; Prasanna et al., 1994; Schlenken, 1991; Челак, 1987. Наряду с этим у них наблюдается различная склонность к перекрестному опылению согласно результатам экспериментов по реакции колоса на принудительное самоопыление (Абрамова, Тихенко, 1987). Поэтому выявление наличия избирательности оплодотворения у тритикале при параллельном исследовании родительских видов имеет важное теоретическое и практическое значение для селекционного и семеноводческого процесса. Комплексная оценка прогамной и постгамной фаз позволит дать более полную информацию о наличии или отсутствии избирательности оплодотворения у конкретного сорта тритикале.

Цель исследования. Цель данной работы состояла в том, чтобы выяснить, имеет ли место избирательность оплодотворения у сортов вторичной гексаплоидной тритикале, различающихся по происхождению, морфологическим признакам и реакции на принудительное самоопыление.

Задачи исследования. 1. Провести оценку прогамной фазы оплодотворения у ржи и пшеницы для последующего сравнения с тритикале.

2. Провести сравнительное изучение сортов тритикале по степени развития репродуктивной сферы, реакции на самоопыление по завязываемости зерен, величине хазмогамного цветения.

3. Провести сравнительную характеристику пыльцевых зерен у материнских сортов тритикале и их опылителей: по форме и размерам пыльцевых зерен; фертиль-ности пыльцы; содержанию водорастворимых веществ в пыльце.

4. Провести оценку избирательности оплодотворения озимой гексаплоидной тритикале в прогамную и постгамную фазы:

4.1. Оценить избирательность оплодотворения тритикале в прогамную фазу по проценту прорастания собственных и чужих пыльцевых зерен на рыльцах; длине пыльцевых трубок, полученных при прорастании собственной и чужой пыльцы; соотношению длинных, коротких и средних пыльцевых трубок при опылении пыльцой собственного сорта и при опылении чужой пыльцой; по количеству пыльцевых трубок с аномальным ростом при самоопылении и при опылении чужой пыльцой.

4.2. Провести полевую оценку избирательности оплодотворения тритикале в постгамную фазу по соотношению гибридных и негибридных растений в потомстве от опыления кастрированных цветков белоколосых (рецессивных) материнских сортообразцов смесью пыльцы (собственной и пыльцы другого сорта с доминантными признаками).

Научная новизна. Проведен сравнительный анализ прогамной фазы оплодотворения у пшеницы и ржи для выявления параметров оценки избирательности оплодотворения. Предложены критерии оценки избирательности оплодотворения у тритикале на основе длины пыльцевых трубок у ржи при самоопылении и опылении чужеродным сортом. Впервые изучена избирательность оплодотворения у тритикале с помощью метода опыления кастрированных цветков смесью пыльцы в постгамную фазу оплодотворения, результаты которой проявляются в потомстве первого поколения. Проведено сопоставление результатов, полученных при изучении прогамной и пост-гамной фаз оплодотворения.

Практическая значимость. Выявление наличия или отсутствия избирательности оплодотворения в прогамную и постгамную фазы у сортов тритикале имеет важное значение для оптимизации селекционно-семеноводческой работы с этой культурой.

Положения, выносимые на защиту.

1. Прогамная фаза оплодотворения ржи и пшеницы.

2. Критерии, выделенные на основании изучения прогамной фазы оплодотворения родительских видов, для оценки избирательности оплодотворения у тритикале.

3. Сравнительная оценка сортов тритикале по степени развитости репродуктивной сферы.

4. Избирательность в прогамную фазу оплодотворения тритикале.

5. Избирательность в постгамную фазу оплодотворения тритикале.

4

Степень достоверности и апробации результатов. Исследования выполнены по известным методикам (Паушева, 1988; Палфитов, Ермачкова, 2008). Некоторые методы предложены нами (критерии подразделения пыльцевых трубок по длине; соотношение пыльцевых трубок по длине). Все выводы подтверждены экспериментальными исследованиями, статистической обработкой полученных результатов.

Результаты проведенных исследований были представлены на конференциях: Международной научно-практической конференции «Тритикале и его роль в условиях нарастания аридности климата» и секции тритикале отделения растениеводства РАСХН (Ростов-на-Дону, 2012); Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы образования и науки 30 декабря (2013, Тамбов); XXI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2014); Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященная созданию объединенного аграрного вуза в Москве (Москва, 2014); Международной научно-практической конференции, посвященной 127-й годовщине со дня рождения Н.И. Вавилова (Саратов, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 3 - в реферируемом журнале, рекомендованном ВАК.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 166 страницах машинописного текста и включают 83 рисунка, 13 таблиц. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материала, методики и условий проведения опытов, результатов исследований и их обсуждения, выводов, рекомендаций производству и списка литературы. Список цитируемой литературы включает 304 наименования, из них 145 иностранных.

Материал, методика и условия проведения опытов. Исследования проводились в 2011-2013 г. на кафедре генетики, биотехнологии, селекции и семеноводства, а также селекционной станции имени П.И. Лисицына РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Агроклиматические условия, сложившиеся в период проведения эксперимента вполне благоприятствовали нормальному формированию репродуктивной сферы тритикале, а также процессам прохождения прогамной и постгамной фаз оплодотворения.

Работа проводилась с участием шести сортов озимой гексаплоидной тритикале. Из них три сортообразца: линия 21759/97 (Донской зональный НИИСХ, Ростовская область), Гермес (Московский НИИСХ «Немчиновка»), Валентин (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева) обладали рецессивными признаками (белой окраской колоса и отсутствием опушения на колосковых чешуях). В качестве опылителей были выбраны сортообразцы, обладающие доминантными маркерными признаками (красной окраской колоса и наличием опушения на колосковых чешуях): Presto (Польша), Водолей, Торнадо (Донской зональный НИИСХ, Ростовская область).

Для более подробного изучения прогамной фазы оплодотворения у тритикале в нашу работу были включены родительские виды (пшеница и рожь): два сорта озимой гексаплоидной пшеницы Гармонония (Беларусь) и Московская 39 (Московский НИИСХ «Немчиновка») и два сорта озимой диплоидной ржи Альфа (Московский НИИСХ «Немчиновка») и Снежана (НИИСХ Северо-Востока).

Сорта тритикале, входящие в план исследования, были изучены по степени развития их репродуктивной сферы; реакции на принудительное самоопыление; степени открытого состояния цветков (Горин, 1950); морфологических показателей пыльцевого зерна (длины и ширины на 500 пыльцевых зернах); фертильности пыльцевых зерен (Паушева, 1988); содержания в них водорастворимых веществ (Палфи-тов, Ермачкова, 2008).

Основное исследование состоит из двух частей: лабораторного эксперимента по определению избирательности оплодотворения в прогамную фазу оплодотворения и полевого в постгамную фазу.

Оценка наличия избирательности оплодотворения в прогамную фазу оплодотворения у тритикале и ее родительских видов

В фазу колошения была проведена кастрация трех материнских сортов тритикале (линии 21759/97, Гермеса и Валентина), сортов ржи (Альфы и Снежаны) и сортов пшеницы (Гармония и Московская 39). Объем кастрации составлял около 850 колосьев тритикале, в каждом колосе оставляли по 30-40 цветков. Часть кастрированных колосьев тритикале использовали для проведения опыления твел-методом в лабораторных условиях. Другая часть была использована для оценки избирательности оплодотворения в постгамную фазу.

Опыление пшеницы, ржи и тритикале в лабораторных условиях осуществляли по соответствующей схеме (табл. 1) твел-методом. Опыление производили двумя способами (пыльцой собственного сорта и другого сорта тритикале). Контролем выступал вариант опыления пыльцой собственного сорта. Для каждой экспозиции использовали по 6 кастрированных колосьев тритикале. После опыления проводили темпоральную фиксацию материала в уксусном алкоголе (Паушева, 1988) через 20, 45, 60, 90 и 120 минут с момента опыления.

Приготовление временных цитологических препаратов из пестиков тритикале, пшеницы и ржи проводили по методике окрашивания 0,01 % анилиновым голубым (Паушева, 1988). В каждом варианте опыления было проанализировано по 50 временных препаратов. Пыльцевые трубки измеряли при помощи окуляр-микрометра, используя люминесцентный микроскоп.

Оценка прогамной фазы оплодотворения включала в себя следующее:

- Подсчет числа проросших пыльцевых зерен;

- Измерение длины всех нормальных пыльцевых трубок;

- Подсчет числа пыльцевых трубок с аномальным развитием (со вздутиями на кончиках, спирально закрученных);

В целом в каждом варианте опыления было измерено около 500 нормальных пыльцевых трубок.

Таблица 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 -

Оценка наличия избирательности оплодотворения в постгамную фазу оплодотворения. Суть данного метода заключалась в проведении опыления в полевых условиях кастрированных цветков тритикале при помощи кисточки смесью пыльцы, состоящей из равного соотношения (1:1) пыльцы собственного сорта тритикале с рецессивными признаками и пыльцы чужеродного сорта тритикале с доминантными. В потомстве каждого из опыленных смесью пыльцы белоколосых образцов подсчитывали число белоколосых (негибридных) и красноколосых (гибридных) растений тритикале. По их соотношению делали заключение об избирательности оплодотворения. Отклонение от соотношения 1 : 1 рассчитывали при помощи метода X2. Сдвиг в любую сторону означал наличие избирательности оплодотворения собственной, либо чужеродной пыльцы у сортов тритикале. Соответствие соотношению 1 : 1 расценивали как отсутствие избирательности оплодотворения у сорта.

Статистическую обработку данных проводили с использованием ь критерия Стьюдента, метода х2, дисперсионного анализа (Доспехов, 1979). При необходимости данные были преобразованы в угол-арксинус ^ процент

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. Характеристика прогамной фазы оплодотворения у ржи и пшеницы

В практическом плане изучение прогамной фазы оплодотворения у родительских видов тритикале представляет значительный интерес, поскольку позволит найти и предложить объективные критерии оценки избирательности оплодотворения у тритикале.

Сорта ржи Альфа и Снежана имеют высокий уровень самонесовместимости при принудительном самоопылении (завязываемость в контроле без изоляции 76,379,5%, при изоляции - 3,1 - 3,8%). Главная причина низкой завязываемости зерен в колосе от самоопыления заключается в проявлении реакции самонесовместимости, обусловленной 8-2 локусами 1956).

Самое раннее проявление несовместимости может быть на этапе прорастания пыльцевого зерна. Считается, что при «несовместимом» опылении процент проросших пыльцевых зерен ниже, чем при совместимом. В нашей работе получился противоположный результат. Нами показано, что система самонесовместимости, наблюдаемая у ржи, не мешает успешному прорастанию пыльцевых зерен при самоопылении. Причем многие из них образовывали пыльцевые трубки, которые продолжали слабо расти в тканях пестика, оставаясь «короткими». Другие пыльцевые трубки имели нарушения. Таким образом, при самоопылении вероятность достигнуть микропиле и зародышевый мешок ничтожно мала. Это обстоятельство и является одной из главных причин низкой завязываемости зерен в колосе при самоопылении у ржи.

Длину пыльцевой трубки считают одним из наиболее важных показателей в успехе оплодотворения, потому что именно от него зависит, произойдет ли оплодотворение пыльцой собственного сорта или чужого. У ржи скорость роста пыльцевых трубок при самоопылении значительно ниже, чем при чужеродном опылении. Уже спустя 45 мин с момента опыления рост собственных пыльцевых трубок обоих сортов ржи (Альфа и Снежана) почти не происходит, а если и отмечается, то очень медленный (рис. 1). Так проявляется система торможения роста «несовместимых» пыльцевых трубок у ржи. Подобные явления описаны в работах, выполненных ранее (Райки, Шандер, 1955; НеэЬр-Нагпйоп, 1979).

Величины НСР05 приведены на рисунках в случаях наличия существенных различий между вариантами опыления.

Как известно, чем больше длинных пыльцевых трубок образуется в тканях пестика, тем выше шансы у такой пыльцы принять участие в оплодотворении. На рыльце пестиков не все пыльцевые зерна способны прорасти одновременно, поэтому важно знать, какая часть пыльцевых трубок принадлежит к определенной группе в соответствии со своим размером при определенном способе опыления. Измерение длины пыльцевых трубок у ржи при самоопылении и опылении чужеродном сортом позволило нам предложить критерии оценки избирательности оплодотворения на основе данного параметра.

В качестве параметра для распределения всех нормальных пыльцевых трубок на группы по длине предложена длина пыльцевых трубок при максимальном интервале времени с момента опыления (120 мин). На этом сроке самыми длинными оказались пыльцевые трубки при опылении сорта Альфа чужеродным сортом, а самыми короткими при самоопылении сорта Снежана. Таким образом, к длинным пыльцевым трубкам мы отнесли пыльцевые трубки, длина которых превышала половину средней длины пыльцевых трубок, образовавшихся на рыльцах пестиков сорта Альфа при опылении чужеродным сортом. Эта длина равнялась 95,2 мкм. Короткими считали пыльцевые трубки с длиной, меньшей средней длины пыльцевых трубок при самоопылении у сорта Снежана (49,8 мкм). Длина средних пыльцевых трубок находилась в интервале от 49,8-95,2 мкм. Такой вариант дифференциации всех нормальных

8

пыльцевых трубок был использован для оценки наличия избирательности оплодотворения у изучаемых культур.

а: £

150

Т

- Пыльца собственного р астения

- Пыльца чужер одного сорта

е-

И 2100

1 5 Ё I »

5 Ш

I Б °

й С 20 -4? во ЭО 120

Время с момента опьшення, мин

Рис. 1. Динамика роста пыльцевых трубок в тканях пестика озимой ржи при самоопылении и перекрестном опылении (* +НСР05)

У сортов ржи показано, что содержание длинных пыльцевых трубок при самоопылении растет только в первые 45 мин, далее их количество не увеличивается (рис. 2а). В то время, как скорость образования такой группы пыльцевых трубок чужеродной пыльцой ржи идет с более высокими темпами. Таким образом, такая картина свидетельствует о подавлении в тканях пестиков ржи роста собственных пыльцевых трубок. Этот вывод подтверждается с помощью показателя содержания коротких пыльцевых трубок (рис. 26), который при самоопылении значительно выше, чем при чужеродном. По содержанию средних пыльцевых трубок ясной картины нет (рис. 2в). Кроме образования нормальных пыльцевых трубок в тканях пестика могут формироваться пыльцевые трубки с разнообразными нарушениями, препятствующими росту пыльцевой трубки (рис. 2г). Таких пыльцевых трубок у ржи с течением времени с момента опыления становится все больше, независимо от способа опыления. При чужеродном опылении их становится несколько больше.

«Несовместимые» пыльцевые трубки морфологически имеют вид закрученных в спираль, булавовидных вздутий, а также направление их роста в тканях пестика может быть в противоположную сторону от микропиле. В то время как «совместимые» пыльцевые трубки продолжают свой рост в тканях пестиков, достигая в дальнейшем микропиле зародышевого мешка.

В целом изучение прогамной фазы оплодотворения на примере двух сортов ржи (Альфы и Снежаны) позволяет проследить связь направления избирательности оплодотворения с ранней реакцией самонесовместимости. Наши исследования показали, что наиболее достоверными критериями избирательности оплодотворения являются средняя длина пыльцевых трубок и доля длинных пыльцевых трубок, образовавшихся к определенному моменту времени на рыльцах пестиков.

!=Г Ьч

й

с; *

о

О

- Пыльца собственного р астения

- Пыльца чужеродного сорта

20 45 60 90 120 Время с момента опыления, °/о

Пьшьца собственного астения

Пыльца

чужеродного

сорта

20 45 60 90 120 Время с момента опыления, мин

а

А .о

- Пыльца

со бственного растения

- Пыльца чужеродного сорта

- Пыльца собственного р астения

- Пыльца чужеродного сорта

20 45 60 90 120 Время с момента опылешы, мин

В

о* о

вт. 5 £

20 45 60 90 120 Время с момента опыления.

Рис. 2. Динамика содержания: а) «длинных» пыльцевых трубок; б) «коротких» пыльцевых трубок; в) «средних» пыльцевых трубок; г) пыльцевых трубок с нарушениями в росте в тканях пестика у ржи при разных способах опыления

Изучение прогамной фазы оплодотворения у пшеницы представляет определенный интерес, так как она является родительской формой тритикале.

Темпы прорастания пыльцевых зерен у пшеницы не различаются значимо при разных способах опыления, но на рыльцах несколько лучше прорастает пыльца собственного сорта. Что касается длины пыльцевых трубок, то по данному показателю наблюдается аналогичная картина (рис. 3).

Пьшьца

собственного

сорта

Пыльца

чу жер о дн ого

сорта

« 5 ЗО 45 «О 90 120

В £

Ej. Ц Время с момента опьшегаш. mi от

Рис. 3. Динамика роста пыльцевых трубок в тканях пестика озимой пшеницы при разных способах опыления

Со временем на рыльцах пестиков пшеницы содержание длинных пыльцевых трубок растет как при опылении собственным сортом, так и чужеродным (рис. 4а).

Собственная пыльца способна образовывать больше длинных пыльцевых трубок. К 120 минутам с момента опыления в тканях пестиков пшеницы их отмечается существенно больше, чем при опылении чужеродным сортом. Содержание коротких и средних пыльцевых трубок становится меньше вследствие того, что они с течением времени переходят в группу длинных пыльцевых трубок.

20 бО ФО 12 0

Вргмя с мом«гтл опьшппш. мии

И

i и' 1| я g

I Ü

I I

■ Пьшьца со бственного

чужеродного сорта

20 45 60 90 120

** 5 а

® ^ | Вр емя с момента опьшешш. мнн

б

Рис. 4. Динамика содержания: а) «длинных» пыльцевых трубок; б) пыльцевых трубок с нарушениями в росте в тканях пестиков пшеницы при разных способах опыления.

Различия по этим показателям у пыльцы проявляются слабо. При чужеродном опылении наблюдается несколько больше аномалий в росте пыльцевых трубок, чем при опылении пыльцой собственного сорта (рис. 46). В результате исследования прогам-ной фазы оплодотворения у пшеницы было выявлено отсутствие достоверных различий по рассматриваемым показателям при различных способах опыления.

2. Характеристика сортов тритикале по реакции на принудительное самоопыление и степени хазмогамного цветения Поскольку мы пытались выявить наличие избирательности оплодотворения непосредственно у материнских форм тритикале (линии 21759/97, Валентина, Гермеса), то предположительно о склонности к само- или перекрестному опылению можно судить по двум косвенным показателям: оценке их реакции на принудительное самоопыление и величине хазмогамного цветения. Отрицательная реакция на принудительное самоопыление установлена у линии 21759/97 и Гермеса, что может косвенно указывать на их склонность к перекрестному опылению (рис. 5).

I контроль ■ самоопыление

Л.21759/97 Валентин Гермес Presto Водолей Торнадо

Рис. 5 . Завязываемость зерен в колосе тритикале при разных способах опыления

Открытое состояние цветка служит главной причиной попадания чужеродной пыльцы. Показано, что изучаемые сорта тритикале не различаются по проценту от-крытоцветущих цветков (рис. 6). Следовательно, шансы для улавливания чужеродной пыльцы у всех сортов примерно одинаковы.

Роль размера пыльцевого зерна в осуществлении реакции избирательности оплодотворения заключается в том, что более крупное пыльцевое зерно может содержать больше запасных питательных веществ, благодаря которым оно имеет шанс быстрее прорасти. Размеры пыльцевого зерна (объем и диметр) у материнских форм тритикале и соответствующих им опылителей не различаются существенно. Наиболее крупная пыльца отмечалась у сорта Валентин (рис. 7а, б). Прорастать на рыльцах пестиков могут только фертильные пыльцевые зерна (рис. 7г). Подобранные пары сортов тритикале имеют достаточно высокие показатели фертильности. У пары линия

21759/97 и Presto уровень фертильноети различается достоверно и находится в пределах (92,4-96,8%). Как известно, водорастворимые вещества пыльцы могут влиять положительно на стартовые возможности образования пыльцевых трубок. Это может оказаться причиной избирательности пыльцы. Однако по наблюдаемому показателю сорта тритикале не различаются (рис. 7в). Исключение — сорт Торнадо, который имеет самое низкое значение. Возможно, это может сказаться на замедлении прорастания пыльцы этого сорта. Таким образом, для эксперимента были выбраны материнские и отцовские формы тритикале с равноценной пыльцой.

Рис. 6. Характеристика открытого цветения сортов тритикале

3. Характеристика прогамной фазы оплодотворения у тритикале

Поскольку геном тритикале включает в себя субгеномы ржи и пшеницы, для которых свойственны различные проявления избирательности, то изучение прогамной фазы оплодотворения у тритикале является весьма актуальным вопросом для выяснения наличия или отсутствия избирательности оплодотворения. Анализ прогамной фазы оплодотворения по тем же самым показателям, что и у ее родительских видов, позволит сравнить аналогичные этапы оплодотворения, а также выявить сходства и отличия.

Наличие избирательности оплодотворения у сортов тритикале будет возможно лишь в том случае если: 1. будет наблюдаться разница в скорости прорастания пыльцы (собственной по отношению к чужой); 2. более конкурентоспособная пыльца образует более длинные пыльцевые трубки в сравнении со всеми другими опылителями.

Для того, чтобы выявить сортовую специфику по избирательности оплодотворения, каждый материнский сорт тритикале рассматривается отдельно по наблюдаемому показателю, а уже далее - в общем, по культуре. Все результаты, представленные на графиках, приведены в среднем по годам.

\ -а

i я

X

к —

е

X

" н

CD

■а я о н Я

р Я

о н

d я

ГО я

•§ ё

К п

2 "

" Т2

i s

о я

2 я

я Я'

го ja

я Я

2

Я тз

"= 2

Ss я

X 2

ст\

+ _ i

Cj -о

■тэ а>

S

w в

0

01

в*

Содержание водорастворимых веществ в пыльце, %

ООО

N U ft U1 OI

шншЦ

luilliuj

Диаметр пыльцевого зерна, мкм

OlOifflOlOlOlM^NMS СООМАО)СООМДО)И

-о X

Фертильность пыльцы, % ососососрсрсоо

Л.21759/97 В 1 i h

1

Ü 8

Presto

-

в 3

I h

■ _J

Объем пыльцевого зерна

NJ NJ

о о

Рост пыльцевых трубок в тканях пестика тритикале

К основному доказательству наличия избирательности оплодотворения относится длина пыльцевых трубок, сформировавшаяся в тканях рылец пестика к определенному моменту времени после его опыления.

В тканях пестика тритикале рост пыльцевых трубок происходит успешно независимо ни от материнского сорта, ни от способа опыления. Эта особенность говорит об отсутствии признаков подавления темпов роста мужских гаметофитов тканями пестика. В среднем по годам по длине пыльцевых трубок между вариантами опыления достоверных различий не наблюдается, однако в каждый год в отдельности они присутствуют. В целом сорта тритикале несколько различаются по избирательности оплодотворения.

На рыльцах линии 21759/97 лучше всего растет чужеродная пыльца, причем среди пыльцы других сортов значительным потенциалом обладает пыльца сорта Presto (рис. 8а). Спустя 45 минут с момента опыления, пыльцевые трубки чужеродных сортов растут быстрее. Их скорость роста несколько выше, чем собственных пыльцевых трубок линии 21759/97. В связи с отсутствием значимых различий между вариантами опыления в среднем по годам, нельзя наверняка утверждать, что для линии 21759/97 предпочтительнее пыльца чужеродного сорта, хотя по каждому году в отдельности различия были статистически достоверными.

На рыльцах пестиков сорта Валентин отмечены примерно одинаковые темпы роста пыльцевых трубок собственного сорта и сорта Presto в отличие от другого чужеродного сорта Торнадо (рис. 86). Его пыльцевые трубки способны расти в тканях пестика Валентина с более высокими темпами, начиная уже с самой ранней экспозиции в 20 мин. Однако различия не являются достоверными.

У сорта Гермес картина динамики роста пыльцевых трубок имеет своеобразную особенность, заключающуюся в том, что собственные пыльцевые зерна на всех сроках прорастания образуют пыльцевые трубки, длина которых превышает длину пыльцевых трубок двух чужеродных опылителей (Водолея и Торнадо) (рис. 8в). Среди всех сортов тритикале, использованных в нашей работе, у пыльцы сорта Гермес образовались самые длинные пыльцевые трубки.

Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод о том, что у сортов тритикале проявляется избирательность оплодотворения.

Так, у линии 21759/97 чужеродная пыльца растет интенсивнее, а у сорта Гермес - собственная. У сорта Валентин собственная и чужеродная пыльца растет примерно одинаково. У культуры тритикале в целом (рис. 8г) не отмечается явного торможения роста пыльцевых трубок при опылении собственным сортом, что говорит об отсутствии признаков самонесовместимости в прогамную фазу оплодотворения. Пыльцевые трубки, как собственных гаметофитов, так и чужеродных успешно продолжают свой рост в тканях пестиков тритикале.

Длина пыльцевых трубок в тканях пестиков сорта Гермес, мкм

и к> м А. 'Л Л

о о о о о о о о о о о о о

«Зз иЦн

! » а в ав

X

Длина пыльцевых трубок в тканях пестика лиши 21759/97,мкм

и И Ы К) у V» ОООООООО

Длина пыльцевых трубок в мкм

м ь- ы и и V Д-_ 'Л О 'Л О 'Л О 'Л о

ооооооооо

Дшиа пыльцевых трубок в тканях пестика сорта Ва лешпн, мкм

Распределение всех пыльцевых трубок по длине на «длинные», «короткие» и «средние» позволило установить, что у тритикале содержание «длинных» пыльцевых трубок растет одинаково хорошо со временем при разных способах опыления. Такая же картина происходит у ржи только в варианте перекрестного опыления.

В тканях пестиков линии 21759/97 «длинных» пыльцевых трубок образуется больше чужеродной пыльцой (Presto) (рис. 9а). Это свидетельствует о большей конкурентоспособности пыльцы именно этого сорта. Ведь пыльца второго чужеродного опылителя - Торнадо образует примерно столько же «длинных» пыльцевых трубок, сколько и пыльца собственного сорта.

У сорта Валентин трудно проследить, у каких именно сортов тритикале пыльцевые трубки имеют преимущество в тканях пестика. Рост содержания «длинных» пыльцевых трубок со временем у чужеродного сорта Presto идет более плавно, чем у всех остальных опылителей (рис. 96).

Некоторая избирательность пыльцы собственного сорта проявляется на рыльцах пестиков сорта Гермес (рис. 9в). Содержание «длинных» пыльцевых трубок при опылении собственной пыльцой выше, чем при опылении пыльцой другого сорта, особенно в первые 60 минут роста.

Картина, представленная на рисунке 9г, показала, что у культуры тритикале способность к формированию «длинных» пыльцевых трубок лучше выражена в первые 60 минут у собственных пыльцевых зерен. Затем эта особенность лучше проявляется у чужеродных. И к 120 минутам эти различия становятся статистически значимыми. На аналогичном графике (рис. За) у пшеницы видно, что на этой экспозиции преимущество имеют собственные пыльцевые трубки в сравнении с чужеродными. У ржи этот график имеет совершенно другой вид, обусловленный действием генов самонесовместимости. В этом состоят различия тритикале от ее родительских видов.

Со временем на любом рыльце содержание «коротких» и «средних» пыльцевых трубок становится меньше, если нет каких-либо этому препятствий, как у ржи при самоопылении. Показано, что это снижение идет более плавно, чем изменение содержания «длинных» пыльцевых трубок. В этом случае видна аналогия с пшеницей.

- Пыльца со бственного

- Пыльца сорта Presto

Пыльца сорта Торнадо

20 -45 СО 90 120 Время с момента опылению, лшн

е-.

а --3 В

I i

I i

Й (S

¡I

II

S Ё SL g

tt üh

о ¿V

О Г

35

/

- Пыльца

со бственного сорта

- Пыльца сорта Presto

Пыльца сорта Торнадо

20 -»5 <SO S»0 120 Время с момента опылення. кпп

е--.

а ъ •о

ás ё е-

I 8 i 1

s 5

IS

- Пыльца

со бственного сорта

- Пыльца сорта Водолей

Пыльца сорта Торнадо

20 -45 <Ю 90 120 В|>емя с момента опыления, кпш

э-

и

- Пыльца

со бственного сорта

- Пыльца чужеродного сорта

20 -45 <Ю 90 120 Время с момента опылешы, мин

Рис. 9. Динамика содержания «длинных» пыльцевых трубок в тканях пестика тритикале при разных способах опыления: а - л. 21759/97; б - Валентин; в - Гермес (х -НСР05); г - в целом по культуре (* +НСР05)

Появление пыльцевых трубок с нарушениями в росте происходит независимо от комбинации опыления. Наблюдается некоторая тенденция к росту данного показателя с течением времени. В общем достаточно схожая картина отмечалась и у пшеницы, хотя у нее выявлено меньше аномалий при росте собственных пыльцевых трубок, чем чужеродных (рис. 3 г). У ржи наблюдается совершенно иная картина изменения данного показателя, чем у тритикале.

По результатам изучения прогамной фазы оплодотворения у представленных сортов озимой гексаплоидной тритикале мы можем сделать следующие выводы:

1. У образцов тритикале, выступающих в качестве материнских форм, не выявлено признаков самонесовместимости (подавленного роста собственных пыльцевых трубок), характерной для сортов ржи. Однако отсутствие самонесовместимости не говорит об отсутствии избирательности оплодотворения у тритикале.

Считается, что появление в посевах спонтанных гибридов может быть связано с невысокой фертильностью пыльцы, но отразится это может только на проценте проросших пыльцевых зерен, а не конкуренции и особенностях роста пыльцевых трубок. А это, в свою очередь, обусловлено различным взаимодействием пыльцевой трубки с тканями проводящего тракта пестика.

2. Изучение избирательности оплодотворения в прогамную фазу показало, что в большинстве случаев у тритикале показатели этой фазы схожи с пшеницей, например, по динамике роста пыльцевых трубок. Однако по содержанию длинных пыльцевых трубок с течением времени имеются различия между опылением собственной пыльцой и чужеродной в пользу последней.

Содержание длинных пыльцевых трубок у тритикале несколько выше при чужеродном опылении, чем при опылении пыльцой собственного сорта. Возможно, зависимость избирательности оплодотворения у тритикале от сорта может быть выражена сильнее, чем у пшеницы. Избирательность оплодотворения проявлялась у сортообразцов: линии 21759/97 и Гермес. У линии 21759/97 чужеродная пыльца лучше растет в тканях пестиков, а у Гермеса - пыльца собственного сорта. У сорта Валентин пыльца всех опылителей растет примерно одинаково (собственная или чужеродная).

3. Наиболее объективными критериями, по которым возможно судить о наличии или отсутствии избирательности оплодотворения в прогамную фазу оплодотворения у тритикале являются: средняя длина пыльцевых трубок и доля длинных пыльцевых трубок.

4. Характеристика постгамиой фазы оплодотворения тритикале

Заключение о наличии или отсутствии избирательности оплодотворения у изучаемых образцов тритикале возможно будет сделать только после анализа соотношения гибридных и негибридных растений в потомстве от опыления кастрированных

материнских растений смесью пыльцы (собственного сорта и чужеродного, взятых в равных пропорциях). Для каждого материнского белоколосого сорта тритикале был взят один красноколосый опылитель: для линии 21759/97 и Валентина - Presto, для Гермеса - Водолей.

Подобранные пары сортов тритикале имели одинаковую по размеру, содержанию водорастворимых веществ, а также по уровню фертильности пыльцу. Исключение составляет пара: линия 21759/97 и Presto, фертильность последнего оказалась несколько выше, хотя не намного (3%). У соответствующих пар также совпадали сроки зацветания.

Наличие избирательности оплодотворения будет иметь место тогда, когда в потомстве от опыления смесью пыльцы будет наблюдаться значительное преобладание гибридных или не гибридных растений. Отсутствие сдвига в какую-либо сторону свидетельствует об отсутствии избирательности оплодотворения у сорта. В норме это соотношение составляет 1:1, т.е. число гибридных и негибридных растений. Отклонение от этого соотношения рассчитывали, используя метод %2. Результаты анализа приведены в табл. 2.

Исследование постгамной фазы оплодотворения у тритикале показало, что в потомстве от опыления смесью пыльцы у линии 21759/97 отмечается достоверное преобладание гибридных растений, что говорит о наличии избирательности чужеродной пыльцы.

Таблица 2. Содержание гибридных растений в потомстве от опыления _белоколосых форм тритикале смесью пыльцы, %_

Материнский белоколосый сорт Содержание красноколосых гибридов

2012 г. 2013 г. в среднем, % &

% Г<ь % Л

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

- 3,84 - 3,84 - 3,84

У сортов Валентин и Гермес выявлено отсутствие предпочтения конкретной пыльцы.

Значительный интерес представляет сопоставление данных, полученных у тритикале в прогамную фазу оплодотворения, в сравнении с результатами, полученными с участием тех же самых опылителей, только в постгамную фазу оплодотворения. Как видно из таблицы 3 совпадение результатов прогамной и постгамной фаз наблюдается в большинстве случаев у сортообразцов: линии 21759/57 и Валентин.

Таблица 3. Сравнительная оценка избирательности оплодотворения у сортообразцов тритикале в прогамную и постгамную фазы

Прогамная фаза Показатель Линия 21759/97 Валентин Гермес

Процент прорастания пыльцы, % Чужеродная пыльца прорастает быстрее, спустя 60 мин Собственная прорастает интенсивнее Собственная пыльца и чужая прорастают одинаково хорошо

Длина пыльцевой трубки, мкм Чужеродные длиннее Одинакова с чужеродной Собственные длиннее

Доля длинных пыльцевых трубок, % При чужеродном опылении выше Одинакова при разных способах опыления При опылении собственным сортом выше

Постгамная фаза Соотношение растений, % гибридных 79,5 Чужая пыльца более конкурентоспособна 55,9 Избирательность не обнаружена 46,4 Избирательность не обнаружена

негибридных 20,5 44,1 53,6

Чужеродные пыльцевые зерна оказались наиболее дружными в прорастании, чем собственные, у линии 21759/97. Они способны образовывать значительно более длинные пыльцевые трубки. Доля длинных пыльцевых трубок значительно больше при опылении цветков линии 21759/97 пыльцой чужеродного сорта. Результаты пост-гамной фазы также свидетельствуют в пользу предпочтения пыльцы чужеродного сорта (х2ф > Х2т) (табл. 4).

У сорта Валентин, несмотря на то, что собственная пыльца прорастает несколько интенсивнее чужеродной, различий в динамике роста пыльцевых трубок и содержании длинных пыльцевых трубок не наблюдается. Это и подтверждает отсутствие избирательности оплодотворения в постгамную фазу у данного сорта.

По степени прорастания пыльцевых зерен у сорта Гермес нет различий между вариантами опыления. Собственные пыльцевые трубки сорта Гермес обладают большими размерами по сравнению с чужеродными, а также длинных пыльцевых трубок образуется в тканях пестика больше при опылении пыльцой собственного сорта. Таким образом, по сорту Гермес складывается впечатление некоторого предпочтения пыльцы собственного сорта в прогамную фазу оплодотворения. Данные, полученные в постгамную фазу оплодотворения в среднем за два года, выявили отсутствие предпочтения какой-либо пыльцы.

Таким образом, в процессе проведенной работы выделись два микроморфологических показателя прогамной фазы оплодотворения (средняя длина пыльцевых трубок и процент длинных пыльцевых трубок), которые нашли подтверждение в постгамную фазу оплодотворения. Это позволяет рекомендовать их для изучения нали-

чия избирательности оплодотворения у сортообразцов озимой тритикале (с целью предотвращения переопыления между сортами озимой гексаплоидной тритикале).

Результаты, полученные при изучении реакции образцов на принудительное самоопыление, также, как и метод определения хазмогамного цветения, не всегда могут дать однозначные результаты наличия склонности к определенному типу опыления у сортов тритикале. Это показано, как в нашей работе, так и в литературных источниках. Тип цветения сильно подвержен влиянию метеоусловий. Поэтому, используя цитологический метод, можно с большей вероятностью выяснить наличие у сорта избирательности оплодотворения. Наличие открытого состояния цветка еще не дает гарантии, что оплодотворение будет осуществляться пыльцой чужеродных сортов. У озимой тритикале этот показатель достигает по данным нашей работы довольно высокого уровня (88%).

Размеры пыльцевых зерен, содержание водорастворимых веществ в них и величина фертильности у подобранных пар сортов не повлияло на проявление избирательности оплодотворения.

Сорта тритикале, входящие в наше исследование, различаются по наличию избирательности оплодотворения. Так, для линии 21759/97 и Гермеса характерна избирательность оплодотворения. В тканях пестиков линии 21759/97 лучше растет чужеродная пыльца, а в тканях сорта Гермес - своя собственная. У сорта Валентин не отмечено признаков преимущественного роста пыльцы какого-либо опылителя.

Так как в ходе работы выяснилось, что у линии 21759/97 лучше растет чужеродная пыльца, то для того, чтобы избежать переопыления ее с другими сортами тритикале, при ведении селекционных и семеноводческих работ, желательна пространственная изоляция. У сортов Валентин и Гермес в связи с отсутствием избирательности чужеродной пыльцы потребность в изоляции исключается.

ВЫВОДЫ

1. Система торможения роста пыльцевых трубок при «несовместимом» опылении у ржи проявляется уже спустя 20 минут с момента опыления.

2. В процессе изучения прогамной фазы оплодотворения у ржи выделены критерии для сортировки всех нормальных пыльцевых трубок на группы на основании их длины (длинные - 95,2 мкм и более; средние - 49,8-95,2 мкм; короткие - 49,8 мкм и менее). Объективными параметрами в оценке наличия избирательности оплодотворения могут быть: средняя длина пыльцевых трубок и доля длинных пыльцевых трубок.

3. Пыльца материнских и отцовских форм тритикале характеризуется примерно равными шансами для реализации оплодотворения.

4. У сортов тритикале не обнаружено подавленного роста пыльцевых трубок, свойственного ржи.

5. В целом прогамная фаза оплодотворения тритикале сходна с пшеницей. Быстрый рост пыльцевых трубок при различных способах опыления, скорее всего, зависит от интенсивности обмена веществ между пыльцевой трубкой и тканями пестика.

6. Сравнительный анализ прогамной и постгамной фаз оплодотворения показал неоднородность среди трех изученных сортов тритикале по избирательности оплодотворения: в тканях пестиков линии 21759/97 лучше росла чужеродная пыльца, Гермеса - собственная, у сорта Валентин избирательности не обнаружено.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Для выявления наличия или отсутствия избирательности оплодотворения предлагается использовать микроморфологические показатели прогамной фазы оплодотворения: длину пыльцевой трубки и долю длинных пыльцевых трубок, образовавшихся в тканях пестика.

2. В целях оптимизации селекционных и семеноводческих работ с такими сорт-образцами, как линия 21759/97, требуется соблюдение нормы пространственной изоляции. Для сортов Валентин, Гермес и аналогичных им это правило не обязательно.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Рубец, B.C. Некоторые результаты изучения прогамной фазы оплодотворения озимой гексаплоидной тритикале / B.C. Рубец, О.В. Митрошина, В.В. Пыльнев // Материалы международной научно-практической конференции «Тритикале и его роль в условиях нарастания аридности климата» и секции тритикале отделения растениеводства РАСХН. - Вып. 5 - Ростов-на-Дону, 2012.- С.87-91.

2. Рубец, B.C. Результаты изучения спонтанного перекрестного опыления озимой гексаплоидной тритикале / B.C. Рубец, О.В. Митрошина, В.В. Пыльнев // Известия ТСХА,- 2012,- № 2,- С. 162-164.

3. Рубец, B.C. Избирательность оплодотворения как возможная причина биологического засорения семеноводческих посевов тритикале / B.C. Рубец, О.В. Митрошина, В.В. Пыльнев // Агробюлопя. - Збфник наукових праць. - № 11 (104). - Бша Церква, 2013-С. 5-8.

4. Рубец, B.C. Спонтанное перекрестное опыление озимой гексаплоидной тритикале / B.C. Рубец, О.В. Митрошина, В.В. Пыльнев, A.B. Широколава // Известия ТСХА,- 2013.- №4,- С. 32-47.

5. Рубец, B.C. Влияние водорастворимых веществ пыльцы на избирательность оплодотворения тритикале / B.C. Рубец, О.В. Митрошина, В.В. Пыльнев // Сб. науч. трудов по материалам Межд. научно-практич. конф. «Актуальные вопросы образования и науки». - Ч. 5. - Тамбов, 2013. - С. 127-131.

6. Митрошина, О.В. Избирательность оплодотворения у озимой гексаплоидной тритикале и способы ее определения. / О.В. Митрошина // Материалы Международ-

23

ного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВОЙ» / Отв. ред. А.И. Андреев, A.B. Андриянов, Е.А. Антипов. [Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2014.

7. Митрошина, О.В. Влияние содержания водорастворимых веществ и фертильно-сти пыльцы на избирательность оплодотворения у озимой гексаплоидной тритикале / О.В. Митрошина, B.C. Рубец // Сборник тезисов участников Межд. науч. конф. молодых ученых и специалистов, посвященная созданию объединенного аграрного вуза в Москве. -М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2014.

8. Рубец, B.C. Особенности биологии цветения озимой гексаплоидной тритикале в НРНЗ / B.C. Рубец, О.В. Митрошина, В.В. Пыльнев // Вавиловские чтения - 2014»: Сб. статей Межд. науч.-практ. конф., посвященной 127-й годовщине со дня рождения академика Н.И. Вавилова. Саратов, 2014. - С. 142-144.

9. Рубец, B.C. Особенности избирательности оплодотворения у тритикале (Triticosecale Wittm.) / B.C. Рубец, О.В. Митрошина, B.B. Пыльнев // Известия ТСХА,-2014.-Вып. 6.-С. 15-37.

Подписано в печать 26.09.2015 г. Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 Экз. объем 1,0 п.л. Заказ № 12107-9-15 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-кт, д.28 Тел. 8-495-782-88-39