Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Семенное размножение люпина желтого (LUPINUS LUTEUSL.) в условиях Мордовии

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Семенное размножение люпина желтого (LUPINUS LUTEUSL.) в условиях Мордовии"

- с

на правах рукописи

ЛАБУТИНА МАРИНА ВИКТОРОВНА

СЕМЕННОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ ЛЮПИНА ЖЕЛТОГО (ЬиРШиБ ШГЕШЬ.) В УСЛОВИЯХ МОРДОВИИ

03.00.05 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ дасссртации на совошшс учгавй сгшсян мтавдата биологических нгух

ПЕРМЬ"1998

Работа выполнена на кафедре ботаники МШИ им. М.Е.Евсевьева, в отделе кормовых культур ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор Л.И. Орел

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

Защита диссертации состоится 2 июня 1998 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 063.59.09 в зале заседаний Ученого совета Пермского государственного университета, по адресу: 614600, г. Пермь, ул. Букирева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан _ 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

профессор А.Н. Папоков

кандидат биологических наук, доцент Л Л. Новоселова

Ведущая организация: Уральский государственный

университет (Екатеринбург)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Люпин является ценной сельскохозяйственной культурой, занимающей среди бобовых особое положение по биологическим признакам, химическому составу, неприхотливости и высоким урожаям зеленой массы на бедных песчаных почвах. Эта культура является перспективной для Мордовии, где климатические и почвенные условия позволяют выращивать ее как кормовую и сидеральную культуру.

Однако для люпина характерна низкая семенная продуктивность, обусловленная опадением большой части цветков, бутонов и завязавшихся бобов. Разрыв между потенциальной и реальной семенной продуктивностью вызывается многими причинами, но прежде всего гибелью семяпочек, неспособных развиться.в семя. Для люпина причины этого явления пока не выявлены. Для решения этой проблемы необходимо изучение репродуктивной биологии, включающей в себя биологические основы семенной продуктивности, а именно, биологию цветения и опыления, эмбриологию и закономерности семя- и плодообразования.

Цель и задачи исследования. Основная цель исследования -изучение репродуктивной биологии люпина желтого - предполагала решение следующих задач:

- изучить особенности цветения и опыления исследуемых сортов люпина желтого в условиях Мордовии;

- провести сравнительную оценку потенциальной и реальной семенной продуктивности люпина желтого;

- изучить фертильность мужского и женского гаметофитов люпина;

- определить фертильность и абортивность семяпочек в целом, а также в зависимости от их местоположения в завязи;

- изучить эмбриологические особенности опавших цветков и завязей;

- выявить зависимость снижения семенной продуктивности от уровня стерилизации семяпочек.

Научная новизна работы. Впервые комплексно исследованы цветение, опыление, эмбриология и семенная продуктивность некоторых сортов люпина желтого в условиях Мордовии. Выявлены основные закономерности, обуславливающие снижение семенной продуктивности люпина. Определен уровень опадения репродуктивных органов у люпина и впервые установлена зависимость этого процесса от эмбриологических аномалий. Проведено сравнительное исследование биологии цветения и опыления некоторых сортов люпина. Определена фертильность мужского гаметофита, установлено, что пыльца созревает в бутонах и способна прорастать уже в

з

пыльниках. Оценка фертильности женского гаметофита проведена экспресс-методом, разработанным дая люпина и впервые примененного в ходе исследования дая данной культуры. В результате сравнения продуктивности растений при разных способах опыления определен преимущественный способ опыления каждого сорта.

Практическая ценность работы. Дана характеристика шести сортов люпина желтого по признакам репродуктивной биологии. Эти данные дополняют сведения о ценной кормовой культуре и могут быть использованы в научном и селекционном процессах. Изучение длительности цветения и суточного хода раскрывания цветков в условиях Мордовии имеет большое практическое значение. С помощью экспресс- метода изучены особенности женского гаметофита люпина и определены критерии его фертильности, что позволяет проводить массовую оценку материала. Выявленные с помощью экспресс-метода аномалии в развитии эмбриональных структур, являются начальным этапом в изучении генетики эмбриологических признаков люпина.

Полученные данные используются при чтении лекций по ботаническим дисциплинам в Мордовском госпединсттуте.

Апробация работы и публикации результатов. Основные положения диссертационной работы доложены на научных конференциях преподавателей и студентов МГПИ им.М.Б.Евсевьева (г. Саранск, 1994, 1995, 1996, 1997); научных конференциях аспирантов и сотрудников ВИР им Л .И .Вавилова (г. Санкт-Петербург, 1994, 1995); седьмом координационном совещании преподавателей физиологии растений вузов России (г. Пермь, 1997).

По материалам исследования опубликовано 6 печатных работ.

Структура и обьем работа. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы, содержащего 107 отечественных и 65 зарубежных авторов. Работа изложена на 165 страницах, содержит 21 таблицу, 64 рисунка и микрофотографий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов.

В первой главе дан обзор литературы по особенностям цветения, опыления, эмбриологии и семенной продуктивности у видов Ьиртиз Ь. Оценивая в целом состояние исследований, можно сделать вывод, что некоторые вопросы репродуктивной биологии люпина желтого ранее рассматривались, но имеющиеся сведения фрагментарны и часто противоречивы. До сих пор остается нерешенным вопрос о способе опыления данной культуры. Причинами низкой семенной продуктивности люпина считаются неблагоприятные условия внешней

среды, неправильная агротехника, болезни, низкая гтграгирующая способность и тд. Практически отсутствует какая-либо информация о влиянии нарушений эмбрионального развития люпина на его семенную продуктивность. Кроме этого, комплексное исследование репродуктивной биологии люпина в условиях Мордовии до сих пор не проводилось.

Во второй главе названы объекты, место и методы исследования.

Наблюдения и сбор материала проводили в 1993-1996 гг. на Мордовской республиканской станции юннатов (г. Саранск). Семенной материал получен из отдела зерновых и бобовых культур ВИР.

Из 31 первоначально изученного образца люпина желтого дня более детального рассмотрения было отобрано 6 сортов разного происхожения, устойчивых к конкретным климатическим условиям, но отличающихся по биологическим признакам и семенной продуктивности: БСХА-382 (к-2735) и Кастрычник (к-2651) из Белоруссии, Копьгаовский (к-2601) и Волынский 60 (к-2599) с Украины, Аугяй (к-2956) из Литвы, Брянский б (к-3490) из России.

Атэкологичесхие исследования проводили в соответствии с методикой АЛ .Пономарева (1960). Наблюдения за ритмом распускания цветков проводили с 8 ч. утра до 20 ч. вечера на 10 растениях каждого сорта. Наблюдения за динамикой цветения проводили в течение трех дней периода массового цветения.

Растения исследуемых сортов люпина высевали на коллекционном участке широкорядным способом. Сорта изучали в условиях свободного опыления и самоопыления. Самоопыление исследовали на 10 растениях каждого сорта, помещая соцветия под индивидуальные марлевые изоляторы.

Семенную продуктивность определяли по мегодикеИ.В.Вайнагий (1973, 1974). Для этого на 10 растениях каждого сорта в трех повторностях подсчитывали потенциальную семенную продуктивность (количество семяпочек на особь), реальную семенную продуктивность (количество семян на особь), плодообразование (процент цветков, образовавших бобы), процент семенификации на плод (процент семян, развившихся в одном бобе) при разных способах опыления.

Для изучения прогамной фазы оплодотворения фиксировали по 10-15 цветков с 10 растений каждого сорта в смеси этилового спирта и ледяной уксусной кислоты в соотношении 3:1. Рост пыльцевых трубок в бутонах и цветках наблюдали с помощью люминесцентного микроскопа (Орел и др., 1988; Вишнякова, 1989).

Фертильность пыльцевых зерен определяли на временных препаратах, окрашенных в ацетокармине (Паушева, 1970) и по А1ехсапс1ег (1969). Исследовали по 50-60 бутонов каждого сорта.

Для определения жизнеспособности пыльцы ее проращивали на искусственной питательной среде, состоящей из 15-% раствора сахарозы с добавлением 0,003 % борной кислоты (Голубинский, 1962).

Для определения фертильности женского гаметофита фиксировали бутоны и цветки на разных стадиях развития, а также опавшие бутоны и цветки. Морфологию семяпочки люпина желтого исследовали с помощью классической методики приготовления постоянных микропрепаратов (Паушева, 1970). Парафиновые срезы толщиной 1520 мкм окрашивали гематоксилином по Эрлиху и фуксин-сернистой кислотой по Фельгену с подкраской алциановым синим.

С целью определения фертильности семяпочек и зародышевых мешков люпина использовали методику вычленения целых зародышевых мешков с ферментативной мацерацией (Еналеева и др., 1972) и вычленение их без мацерации (Орлова, Авалкина,1985). Наилучшие результаты получены с использованием мацерирующих сред. В качестве просветляющей среды применяли насыщенный раствор КОН (Herr, 1973, 1982; Franke, 1981). Наличие крахмала в тканях семяпочки и зародышевого мешка определяли с помощью раствора йода в йодистом калии (Jensen, 1965).

Фотографирование постоянных и временных препаратов проводили с помощью микроскопов МБИ-б, LENAVAL с фотонасадкой.

Статистическую обработку материала проводили по методике Б А-Доспехова (1985).

В третьей главе изложены результаты наблюдений за цветением люпина желтого в условиях Мордовии.

Цветок люпина зигоморфный, с желтой окраской венчика. Длина раскрывшихся цветков варьирует от 13 до 16 мм. Десять тычинок основаниями нитей срастаются в трубку. Пыльники диморфные. Тычинки с крупными продолговатыми пыльниками развиваются раньше, чем тычинки с мелкими почковидными пыльниками. Одна из тычинок с почковидным пыльником занимает промежуточное положение. Крупные пыльники начинают вскрываться за 1,5-2 дня до раскрытия цветка. Период от появления из чашечки венчика до раскрытия цветка длится 3-3,5 дня. Прослеживая динамику цветения отдельного цветка, можно убедиться, что цветок люпина желтого приспособлен как к самоопылению, так и к перекрестному опылению. Причем самоопыление может происходить еще в бутоне.

Цветение люпина желтого в условиях Мордовии начинается в конце июня-начале июля (сорта Кастрычник, Аугяй, БСХА-382, Брянский 6), чуть позже зацветают сорта Волынский 60 и Копыловский.Продолжительностъ цветения одного цветка в среднем составляла 2,1- 3,3 дня, она зависила как от метеорологических условий, так и от особенностей сорта. Так, у цветков сортов Кастрыч-

ник и Аугяй продолжительность цветения была минимальной - 1,7-2,2 дня, у сортов Волынский 60 и Колыловосий отмечалось более длительное цветение отдельного цветка - 4,5-5,9 дней. Цветение у всех сортов люпина открытое.

В кистях главного побега образуется от 20 до 55 цветков, на боковых побегах - от 50 до 200 цветков. Цветение в соцветии протекает в восходящем порядке. Первыми раскрываются цветки центральной кисти. Продолжительность цветения центральной кисти у исследуемых сортов зависит от количества цветков в кисти и погодных условий в период цветения. Так, в прохладном и влажном 1994г. продолжительность цветения составила в среднем по сортам 8,6 дней, в теплом и влажном 1995 г. - 13,6 дней, в жарком и засушливом 1996 г. - 7 дней. Цветение боковых кистей начинается через 4-6 дней после окончания цветения цветков цешральной кисти и от их количества зависит продолжительность цветения всего растения. Цветение всего растения у сортов Аугяй и Касгрычник длилось 10-15 дней, Брянский 6 и БСХА-382 - 25-30 дней. У сортов Волынский 60 и Копьшовский формировались боковые побеги 3 и 4 порядков, в связи с этим цветение у данных сортов продолжительное, а у Копыловского вплоть до первьи заморозков (до 60 дней).

Раскрытие цветков начинается около 8 часов утра и наиболее интенсивно происходит до 18 часов. Максимальное количество цветков раскрывается у сорта Аугяй с 12 до 18 часов, БСХА-382 - с 10 до 14 часов, Волынского 60 - в 12-16 часов, Кастрычника - в 14-18 часов. К вечеру раскрытие цветков замедляется и ночью прекращается совсем. На ночь открывшиеся цветки не закрываются. В жархую и сухую погоду (при 30-35 °С) наблюдалась дневная депрессия раскрытия цветков, когда кривая раскрывшихся за час цветков носила двухволновый характер с максимумом в утренние часы.

В четвертой главе описаны результаты изучения семенной продуктивности люпина в условиях Мордовии.

Плодообразование. На растениях люпина желтого закладывается большее количество цветков, чем образуется бобов после цветения. Так, на главном побеге формируется в среднем 20-50 цветков, к концу вегетации на побеге сохраняется лишь 1/3 или 1/4 часть. Характерно, что плодообразование у люпина на главном побеге в 2-3 раза выше, чем на боковых. За годы исследований наиболее урожайными были сорта Аугяй и БСХА-382. В среднем за 3 года на главном побеге плодообразование составило у сорта Аугяй 44,8%, БСХА-382 - 52%. На боковых побегах данных сортов плодообразование составило 24 -26%. Наименьшей величиной плодообразования характеризовался сорт Копьшовский. На главном побеге образовывалось 28% бобов, на боковых - 11,6%.

Опадение репродуктивных органов. Для люпина желтого характерно опадение репродуктивных органов в ходе цветения и после него. Наиболее часто опадали завязи и молодые бобы в верхней части соцветия. Опадение бутонов наблюдалось реже и составляло по годам 1,7-8%. В пределах каждого сорта величина опадения бутонов из года в год менялась незначительно. Из сортов с небольшим опадением бутонов выделялся сорт БСХА-382 - 1,5-2,5%. Максимальное опадение бутонов отмечалось у сорта Копьшовский - 7-9,5% (рис.1).

Наибольшее снижение семенной продуктивности происходило при опадении завязей после цветения и составляло по сортам от 30 до 50% и более. Максимальное опадение завязей наблюдалось у сортов Брянский 6 (52,9%) и Волынский 60 (51%). В меньшей степени опадали цветки у сорта Аугяй - 38%. Опадение бобов отмечалось на всем протяжении их развития. С большей вероятностью опадали мелкие (до 1,5-2 см) зеленые бобы вскоре после образования. На более поздних этапах развития количество опадающих бобов сокращалось. Наиболее сильное опадение бобов наблюдалось у сортов Кастрычник (25,5%) и Аугяй (26,3%). Меньшее количество опавших бобов отмечалось у сорта БСХА-382 (17,4%). Полноценные бобы формировались чаще всего в нижней и средней частях соцветия.

Семенная продуктивность. В годы исследования (1993-1996 гг.) у люпина желтого наблюдался большой разрыв между потенциальной и реальной семенной продуктивностью. Наибольшей реальной семенной продуктивностью обладали растения сортов БСХА-382 и Аугяй, у которых в среднем за 4 года выращивания она составила 21-22%. Наименьшее количество семян образовывалось у сортов Волынский 60 (13,7%) и Копыловский (12%). У исследованных сортов люпина семенная продуктивность на главном побеге значительно выше семенной продуктивности боковых побегов, например, у сорта Аугяй в 1,5-3,5 раза, Кастрычника - в 1-1,4 раза, Волынского 60 - 1,8-6,5 раза. Реальная семенная продуктивность зависит не только от порядка побега, но и от месторасположения бобов на побеге. Бобы, расположенные в нижней и средней частях соцветия люпина образовывали семян в 1,5-2,5 раза больше, чем бобы в верхней части соцветия. Так, у сорта Аугяй завязываемость семян в бобе на нижних мутовках составляет 50-56%, в верхней части соцветия - 20-27%. Для сорта Брянский 6 семенификация на нижних мутовках составила 6075%, на верхних- 30-36%. Аналогичная картина наблюдалась и у остальных изученных сортов. В ходе исследования выявлена тесная корреляционная связь между завязываемостыо семян в бобе и расположением их на побеге. Для сорта Аугяй коэффициент корреляции равен - 0,50 ± 0,09, БСХА-382 г = -0,95 ± 0,11, для Брянского 6 г=- 0,89 ± 0,16, Кастрычника г=- 0,59 ± 0,28, для Волынского 60 г=- 0,57 ± 0,29 и Копьшовского г=- 0,80 ±0,21.

В кол-во созревших бобов ЕЗ кол-ва опавших бобов 0 кол-во опавших цветков □кол-во опавших бутонов

Рис, 4Опадение репродуктивных органов люпина желтого (г.Саранск)

Отмечалось варьирование абортивности семян в зависимости от их расположения на растении. Бобы, образовавшиеся из цветков центрального соцветия, содержали в 1,2-1,7 раза меньше дегенерирующих семян, чем бобы на боковых побегах. При изучении частоты отмирания отдельных семяпочек в зависимости от их положения в завязи было выявлено, что абортироваться могут семяпочки в любой часта завязи, но вероятность этого увеличивается по направлению к базальной части плода. Из закладывающихся в завязи 4-6 семяпочек чаще дегенерировали наиболее удаленные от рыльца, пятая или шестая. Вероятно, это связано с тем, что пыльцевые трубки часто до них не дорастали. Например, частота отмирания апикальной семяпочки у растений люпина сорта Аугяй составляла почти 30%, частота отмирания базальной семяпочки достигала 70% . Аналогичная картина отмечалась у сортов БСХА-382, Волынский 60, Кастрычник и Копыловский, когда базальная семяпочка отмирала в 2-5 раз чаще, чем апикальная. У сорта Брянский 6 максимальное количество стерильных семяпочек отмечалось в 1,4 и 5 положениях от рыльца столбика.

При изучении качественных характеристик семян люпина учитывали вес семян с одного растения, вес 1000 семян и их всхожесть. Исследования показали,что в условиях Мордовии диапазон изменчивости веса семян у изученных сортов люпина желтого достаточно широк. За годы изучения наибольшим весом семян с одного растения и весом 1000 семян характеризовался сорт БСХА-382. Наименьший вес семян отмечался у сортов Аугяй, Кастрычник и Брянский 6.

Изучение плодообразования люпина при разных способах опыления показало, что у всех сортов приблизительно в равной мере бобы завязывались как при свободном опылении, так и при самоопылении. При сопоставлении массы 1000 семян, плодообразования и семенификации при разных способах опыления был определен преимущественный способ опыления каждого сорта. Сорта БСХА-382, Брянский 6, Кастрычник и Копыловский являются самоопыляющимися, сорта Аугяй и Волынский 60 - факультативными перекресноопылителями.

В пятой главе рассмотрены эмбриологические особенности люпина желтого в связи с его низкой семенной продуктивностью.

Формирование и фертальность пыльцы. Пыльники шопина желтого диморфные, четырехгнездные. Стенка пыльника состоит из эпидермиса, двух слоев эндотеция и тапегума. Средний слой на стадии одноклеточного пыльцевого зерна практически исчезает.Тапетум секреторного типа. К моменту образования одноклеточной пыльцы его клетки разрушаются. Молодая микроспора имеет округлую форму, покрыта тонкой оболочкой. Перед митотическим делением пыльца несколько увеличивается в размерах и приобретает характерную для

ю

данного вида форму. В результате деления образуются вегетативная и генеративная клетки. Первоначально генеративная клетка занимает пристенное положение. Постепенно она перемещается вглубь вегетативной клетки и приобретает эллипсоидную форму. Зрелая пыльца люпина желтого одиночная, двухклеточная, имеет экзину и интину. Поверхность экзины мелкоячеистая. Форма пыльцевого зерна чаще округло-треугольная или овальная, реже окрупго-квадратная. Диаметр пыльцевого зерна в среднем составляет 39-45 мкм. В зрелом пыльцевом зерне генеративная клетка располагается около ядра вегетативной клетки. Деление генеративной клетки с образованием двух спермиев происходит при прорастании пыльцевой трубки.

В диморфных пыльниках люпина формировалась морфологически и физиологически однородная пыльца. Пыльники содержат относительно высокий процент фертильных пыльцевых зерен - 76-90%. Количество фертильной пыльцы у исследованньи сортов люпина несколько колебалось в зависимости от года исследования, но в целом было постоянным для каждого сорта. Более высокой фертильностыо пыльцы отличались сорта Аугяй (88-92%) и Копыловский ( 77-92%), минимальной - сорт Волынский 60 (71-79%). В обеих группах пыльников содержалось небольшое количество стерильной пыльцы. Размеры ее колебались ог 9 до 32,5 мкм.

Фертильная пыльца освобождается из пыльников еще в бутонах, скапливается в лодочке цветка и здесь же может прорастать. В 19951996 гг. у сортов Аугяй, Волынский 60 и БСХА-382 обнаружено 812% пыльцевых зерен проросших непосредственно в пыльниках.

Сравнительное изучение фертильносги пыльцы верхних и нижних цветков соцветия люпина показало, что верхний участок кисти характеризовался относительно большим количеством стерильной пыльцы. Фертпьность пыльцы верхних цветков кисти колебалась от 38 до 68%.

Жизнеспособность пыльцы люпина определялась путем проращивания ее на 15-% растворе сахарозы. Пыльца способна прорастать уже через 2 часа после помещения ее на питательную среду.Результаты показали, что жизнеспособность пыльцы была ниже фертильносги (по признакам морфологической полноценности). Вероятно, метод искусственной питательной среды следует считать более точным, чем метод окрашивания, тос. он показывает не только фертильность пыльцы, но и способность ее к оплодотворению. Наиболее жизнеспособной оказалась пыльца сорта Кастрычник (6871%), менее жизнеспособной - у сорта Копыловский (34%).

Прогамная фаза оплодотворения. Прорастание пыльцевых зерен на рыльце начинается через 10-15 часов, пыльцевые трубки достигали микропиле через 20 часов после опыления. Максимальное количество пыльцевых трубок в столбике люпина наблюдалось через 2 суток после нанесения пыльцы на рыльце. Прорастающая пыльца хорошо заметна

по свечению каллозы в оболочке пыльцевых трубок, поэтому она легко обнаруживается на рыльце и в столбике. По мере роста пыльцевых трубок в столбике, в них через определенное расстояние откладывались каллозные пробки своеобразной вытянутой формы. Большая часть пыльцевых трубок постепенно прекращала свой рост в столбике без видимых нарушений. Чаще всего это наблюдалось в нижней части столбика. В завязь прорастало от 7 до 12 пыльцевых трубок. В первую очередь пыльцевые трубки проникали в первые три семяпочки от столбика, отмечалось проникновение пыльцевых трубок во все семяпочки завязи. В то же время наблюдались случаи, когда пыльцевые трубки дорастали до завязи, не проникая в микропиле, прорастали мимо, прекращая свой рост вблизи таких семяпочек. Можно предположить, что такие семяпочки были стерильные, тле. люминесцентный метод не позволяет оценить их функциональное состояние. У люпина желтого большая часть цветков, расположенных в верхней части соцветия, опадала после цветения в связи с отсутствием опыления или оплодотворения.

Развитее и фертильносп. женского гаметофита. Число семяпочек в завязи 3-6, реже 7. Семяпочка Ьиртш 1Шеш Ь. тенуинуцеллятная, кампилотропная. В процессе онтогенеза семяпочка видоизменяется от прямостоячего бугорка в самых мелких бутонах до атропной в бутонах 2мм. В процессе дальнейшего развития семяпочка становится анатропной, затем кампилотропной. Анатропные семяпочки встречаются в бутонах размером 3-4 мм, кампилотропные - в бутонах 5-7 мм.

Семяпочка люпина двупокровная. Наружний интяумент -мощный, внутренний развит слабее. Граница межцу ними малозаметна. Нуцеллус слабо развит, по мере развития зародышевого мешка клетки нуцеллуса дегенерируют. Зародышевый мешок слегка изогнут и занимает центральную часть нуцеллуса. Зародышевый мешок сформировала халазальная макроспора линейной тетрады макроспор.

Зародышевый мешок Ь. Ыеш Ь. развивается по нормальному типу. Яйцевой аппарат представлен яйцеклеткой и двумя синергидами. Синергиды меньше яйцеклетки и быстро дегенерируют после оплодотворения. Полярные ядра располагаются в центральной части зародышевого мешка и перед оплодотворением сливаются. Зрелый зародышевый мешок не содержит антипод, они рано дегенерируют. Зародышевый мешок окружен полисахаридной оболочкой, особенно тонкой в микропилярной зоне. Фертильный зародышевый мешок достигает длины 320-360 мкм и имеет характерный изгиб. После оплодотворения первым начинает делиться первичное ядро эндосперма. Зигота делится после периода покоя. Размеры оплодотворенного зародышевого мешка увеличиваются почти в 2-3 раза по сравнению с первоначальными. В обьеме увеличиваются как микропилярный, так и халазальный концы. Позднее особенно разрастается его микропиляр-наязона.

Аномалии в развитии зародышевого мешка, проявляющиеся до оплодотворения. В цветках люпина желтого в день их распускания наряду с завязями нормального строения встречались завязи с нарушениями в развитии (мелкие завязи, пестики с 2-3 столбиками, завязи, не сомкнутые по шву). Семяпочки в таких завязях мелкие, часто их больше нормы (до 9-11). Мелкие, недоразвитые семяпочки находились и в завязях нормального строения вместе с фертильными семяпочками. Самые мелкие семяпочки характеризовались недоразвитым проводящим пучком, дегенерацией тканей нуцеллуса и спорогенных клеток. Другую группу стерильных семяпочек составляли те, у которых развитие зародышевого мешка останавливалось на ранних этапах или наблюдалась замедленная дифференциация клеток зародышевого мешка. Следующую группу представляли семяпочки с нарушениями в сформированных зародышевых мешках. К нарушениям, ведущим к стерилизации зародышевого мешка, можно отнести формирование толстой углеводной оболочки вокруг зародышевого мешка; замед ление лизиса эпидермы апикальной части нуцеллуса, в этом случае зародышевый мешок остается недоступным для пыльцевых трубок. Часто аномалии того или иного характера встречались одновременно друг с другом. Стерильные зародышевые мешки, как правило, имели меньшие размеры, по сравнению с фертильными (менее 300 мкм), были прямыми и узкими.

У исследованных сортов люпина в завязях растений находились как фертильные, так и стерильные семяпочки. Их соотношение у разных сортов люпина неодинаково (табл.1).

Таблица 1. Фертильность семяпочек и семенная продуктивность трех сортов люпина желтого

Сорт Годы Число семя почек на завязь, Число фсртильных сеыяяочек на завязь, шт. I '/. Число полноценные семян на боб, шт. I %

Аугяй 1995 4,4±0,09 3,7 93,6 2,3 51,5

1996 4,6±0,16 4,0 88,7 2,4 52,8

БСХА- 1995 4,5*0,09 3,8 85,7 3,2 69,5

382 1996 4,8±0,23 4,2 86,5 3,5 65,9

Волынс- 1995 4,7+0,10 3,9 84,1 3,1 64,9

кий 60 1996 4,8±0,18 3,6 75,7 2,2 46,5

У всех исследованных сортов люпина установлена положительная корреляция между числом фертильных семяпочек на завязь и числом созревших семян. У сорта Аугай в 1995г. г=+0,89, в 1996г. г=+0,99. У сорта БСХА-382 коэффициент корреляции в 1995г. составил +0,70, в 1996г. - +0,59. Для сорта Волынский 60 получен г=+0,65 в 1995г. и г= +0,85 в 1996г. Высокая положительная корреляция между числом фертильных семяпочек и количеством завязавшихся семян в бобе свидетельствует о правильности установленных критериев фер-тильности семяпочек. На основе этого можно отметить, что у исследованных сортов люпина в цветках перед их распусканием наблюдалась в некоторой степени сходная картина. На растении каждого сорта фертильных семяпочек формировалось больше, чем было созревших семян. Исследованным сортам люпина свойственно в том или ином количестве наличие семяпочек, дегенерирующих до опыления. Их количество у каждого сорта неодинаково, что обусловлено, очевидно, биологическими особенностями данных сортов. В то же время, присутствие стерильных семяпочек у всех исследованных сортов люпина свидетельствует о том, что процесс стерилизации семяпочек на ранних стадиях их развития, еще до опыления цветков, обусловлен генетически.

Проведено изучение женского гаметофита в опавших бутонах и цветках. Определено, что у изученных сортов люпина опадали бутоны с 67-95% стерильных семяпочек в завязи. Завязи опадали с 49-78% стерильных семяпочек в них. Можно предположить, что при стерилизации половины семяпочек в завязи такая завязь опадает. Опавшие завязи содержали как стерильные, так и фертильные семяпочки. Фертильные семяпочки в опавших завязях можно разделить на две группы: фертильные, но не оплодотворенные, и оплодотворенные, но дегенерирующие на начальных этапах формирования зародыша. У сорта БСХА-382 количество фертильных семяпочек в опавших завязях составило 22-44%. Среди них приблизительно в равных количествах находились семяпочки отмеченных трупп. У сорта Волынский 60 количество фертильных семяпочек в опавших завязях составило 28-51%. Среди них преобладали фертильные, но не оплодотворенные семяпочки. Зародышевые мешки неогшодотворенных семяпочек через 3-5 дней претерпевали существенные изменения. Такие зародышевые мешки увеличивались в размерах до 500-530 мкм. Синерпзды сохранялись продолжительное время. Наблюдалось увеличение всего яйцевого аппарата: клетки удпиннялись, сильно вакуолизировались и опускались в глубь зародышевого мешка. Сам зародышевый мешок вытягивался и приобретал гантелевидную форму. Ядро центральной клетки увеличивалось в размерах, в нем появлялось от 3 до 5 ядрышек. В дальнейшем вторичное ядро смешалось к халазальному концу зародышевого мешка.

При исследовании опавших завязей обнаруживались семяпочки с

оплодотворенными зародышевыми мешками, но дальнейшее их развитие прерывалось на начальных стадиях эмбриогенеза. Отмечены случаи дегенерации зародышей или недоразвитие эндосперма, что также может служить причиной стерилизации семяпочек на данном этапе развития.

Изучение опавших репродуктивных органов люпина желтого показало, что опадение бутонов и цветков и недоразвитие или остановка в развитии отдельных структур семяпочки и зародышевого мешка причинно взаимосвязаны.

ВЫВОДЫ

1. У всех изученных сортов люпина желтого существует большой разрыв между потенциальной и реальной семенной продуктивностью. Сорта БСХА-382, Волынский 60 и Копыловсхий обладали высоким потенциалом семенной продуктивности, однако реализовался он не полностью. Наименьшим плодообразованием характеризовались сорта Копыдовский и Брянский 6, у них 78% и 84% заложившихся бутонов не достигли фазы зрелого плода. Наибольшая реальная продуктивность отмечалась у сортов Аугяй и БСХА-382; у них плодообразование в среднем за три года составило 32 - 36%. Сорт БСХА-382 выделяется относительно высокими показателями потенциальной и реальной семенной продуктивности.

У исследуемых сортов люпина семенная продуктивность зависит как от порядка побега, так и от расположения цветков в кисти. Семенная продуктивность на главном побеге в 1,5-3 раза выше семенной продуктивности боковых побегов. Реальная семенная продуктивность бобов, расположенных в нижней и средней частях соцветия, в 1,5 - 2,5 раза выше, чем у бобов верхней части соцветия люпина.

2. Для люпина желтого характерно опадение части репродуктивных органов как до цветения, так и после него. Чаще всего наблюдалось опадение завязей после цветения, количество их по сортам составляло 38 - 53%. Реже опадали бобы - 17-26%. В меньшей степени опадали бутоны -1,7-8%.

3. Для определения уровня фертильносги семяпочек в развивающихся и опавших репродуктивных органах люпина был модифицирован экспресс-метод вычленения целых зародышевых мешков для данной культуры, что позволило проанализировать причины снижения семенной продуктивности люпина желтого.

4. Определены критерии фертильносги зародышевого мешка и семяпочки люпина желтого. К эмбриологическим аномалиям отнесены:

отсутствие зародышевых мешков в семяпочках вследствие отмирания спорогенных клеток; недоразвитие зародышевого мешка и нарушение дифференциации клеток зародышевого мешка; утолщение углеводной оболочки зародышевого мешка в области микропиле; отсутствие лизиса апикальной части эпидермы нуцеллуса; дегенерация зародыша и эндосперма.

5. В цветках у всех исследованных сортов люпина формируется большое количество фертильных семяпочек (76 - 93%). Стерилизация семяпочек в период формирования зародышевого мешка, т.е. до опыления, составляет 8,8 - 19,5%. Процент дегенерирующих после опыления семяпочек у изученных сортов равен 16,2 - 42%. Эху группу представляют семяпочки с нарушениями в развитии после оплодотворения и фертнльные, но не оплодотворенные семяпочки.

6. У люпина желтого отмечается зависимость абортивностн семяпочек от расположения их в завязи. Уровень стерилизации семяпочек снижается от базальной семяпочки к апикальной. Базальная семяпочка отмирает в 1,5-3 раза чаще, чем другие семяпочки завязи. Реже дегенерирует следующая за апикальной семяпочка.

7. Выявлена зависимость опадения бутонов и цветков от количества стерильных семяпочек в них. Бутоны опадали при содержании 80 - 89% стерильных семяпочек. В опавших цветках количество фертильных семяпочек составляло 29 -38 %.

8. Исследованный вид люпина - Ьиртиз 1шеш Ь.- имеет высокую фертильность пыльцы (76 - 90%) в нижних и средних цветках соцветия. В верхней части кисти люпина фертильность пыльцы составляет 36 - 65%.

9. В пыльниках цветков перед распусканием обнаруживалась прорастающая пыльца, что позволяет предположить возможность опыления еще в бутоне.

10. Всем изученным сортам люпина желтого свойственен дневной тип распускания цветков. Динамика суточного цветения у сортов несколько различна. Максимальное количество цветков распускалось у сортов Аугяй и Волынский 60 с 11 до 16 часов, БСХА-382 и Брянский 6 в 10- 14 часов, Кастрычник - с 13до 18 часов. При высокой температуре воздуха и низкой влажности у всех сортов люпина отмечалась дневная депрессия цветения.

11. Завязываемость бобов и семян, вес семян при разных способах опыления позволили выявить преимущественный способ опыления каждого сорта. Сорта БСХА-382, Брянский 6, Кастрычник и Копыловский являются самоопыляющимися, сорта Аугяй и Волынский 60 - факультативными перекрестноопылителями.

Практические рекомендации

При отборе растений на высокую семенную продуктивность может бьггь использован, разработанный для люпина, экспресс-метод вычленения зародышевых мешков и просветления семяпочек, позволяющий оценить уровень фертильности семяпочек перед цветением.

Результаты эмбриологического анализа сортов люпина желтого показали, что данные сорта характеризуются высоким уровнем фертильности семяпочек, однако реальная семенная продуктивность снижается вследствие потери части репродуктивных органов до опыления и после него. Поэтому селекционная работа должна проводиться на выживание таких семяпочек в этот период.

Высокие и стабильные показатели потенциальной и реальной семенной продуктивности сорта БСХА-382 позволяют рекомендовать его для использования в селекционных программах на повышение семенной продуктивности.

Короткий вегетационный период сортов Аугяй и Кастрычник, способствующий в условиях Мордовии созреванию семян задолго до наступления осенних холодов, позволяет рекомендовать эти сорта для селекционной работы на скороспелость. Кроме этого, растения сорта Аугяй обладают высокой фертильностью пыльцы, что позволяет использовать сорт как донора пыльцы.

Образование большого количества боковых побегов у сортов Волынский 60, Брянский 6 и Копыловский позволяет использовать их в условиях Мордовии в качестве источника высокой продуктивности зеленой массы.

Селекционная работа с сортами люпина желтого должна проводиться с учетом особенностей биологии цветения и опыления конкретных сортов.

На основе экологической оценки коллекционного материала люпина желтого в условиях Мордовии, можно рекомендовать для использования в сельском хозяйстве республики наиболее пластичные, устойчивые к неблагоприятным внешним условиям и болезням, сорта люпина , такие как БСХА-382, Аугяй, Кастрычник, Брянский 6, Жемчуг, Волынский 60.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Изучение семенной продуктивности желтого люпина // XXX научная конференция преподавателей и студентов МГПИ им. Евсевьева: Тезисы докладов. 4 1.- Саранск, 1994.-С 65-66.

2. Семенная продуктивность люпина желтого и факторы, влияющие на ее снижение Н XXXI научная конференция преподавателей и

студентов МГПИ им. Евсевьева: Тезисы докпадов.Ч III. -Саранск,1996 -С 56-57.

3. Эмбриологические аспекты снижения семенной продуктивности люпина желтого Lupinus luteus L.(Fabaceae) II Вопросы медико-биологических наук: Сборник материалов научной конференции "XXXII Евсевьевские чтения".- Саранск, 1996.- С 95-98.

4. Эмбриологическое изучение люпина желтого в связи с его низкой семенной продуктивностью II Бюл. ВИР. 1996. В.235. С 148-150.

5. Особенности семенной продуктивности Lupinus luteus (Fadaceae) II Ботанический журнал. 1997. Т.82. №12. С 34-40.

6. Определение фертильностн женского гаметофига люпина желтого в развивающихся и опавших завязях // Проблемы и достижения современной физиологии растений и их использование в вузовском и школьном преподавании: Тезисы докладов YII координационного совещания преподавателей физиологии растений вузов России, 1997г. 23-25 сентября. Пермь, 1997. С 64.