Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Устойчивость семян сосны обыкновенной к старению

ВАК РФ 06.03.01, Лесные культуры, селекция, семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Устойчивость семян сосны обыкновенной к старению"

На правах рукописи

АНДРИЕВСКАЯ Татьяна Михайловна

УСТОЙЧИВОСТЬ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ К СТАРЕНИЮ

06.03.01. - "Лесные культуры, селекция, семеноводство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре лесных культур Московского Государственного Университета леса.

Научный руководитель - Доктор сельскохозяйственных

наук, профессор А.Р.Родин

Официальные оппоненты - Академик РАЕН, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор А.Я.Любавская

Кандидат биологических наук Л.В.Хромова

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства

Автореферат разослан " "

1997г.

Защита диссертации состоится " 26 " ноября 1997г.

в ауд. N 313 в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного Совета Д.053.31.03 при Московском Государственном Университете леса.

Отзывы на автореферат просим направлять В ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРАХ С ЗАВЕРЕННЫМИ ПОДПИСЯМИ по адресу: 141001 г.Мытищи, Московской области, Московский Государственный Университет леса. Ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат сельскохозяйственных наук

В. Г.Анисочкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Известно, что в процессе хранения семян происходит снижение их посевных качеств и появляются генетические изменения.В тоже время основными показателями качества семян по критериям ГОСТа являются их энергия прорастания и всхожесть. Это не позволяет прогнозировать возможную длительность хранения, не снижающую их качество. Решение этой проблемы требует изучения генетических изменений семян в процессе их хранения и установления связи между всхожестью, энергией прорастания и генетическими показателями. Продолжительное сохранение высокой жизнеспособности семян, их генетического потенциала при хранении является одной из основных проблем лесного семеноведения. Это позволяет использовать семена в период их максимальной биологической активности.

Изучение вопроса индивидуальной изменчивости семян по их устойчивости к старению позволяет решить вопрос обеспечения искусственного лесовосстановленяя высококачественными семенами.

Цель и задачи исследования: На основе изучения качественных и генетичеких изменений в семенах сосны обыкновенной (Р1пиБ эПуезШэ Ь.) их длительном хранении, и индивидуальной изменчивости их по устойчивости к старению, влияния старения семян на качество посадочного материала, предложить метод определения устойчивости семян сосны обыкновенной к старению, разработать рекомендации наиболее рационального использования семян по времени, что позволяет повысить качество и продуктивность древостоев сосны обыкновенной.

Научная новизна. В работе установлены качественные и генетические изменения семян сосны обыкновенной при длительном и сверхдлительном хранении. Сопоставлением показателей:энергии прорастания - Е. всхожести - К и нарастания мутационного процесса - Р.определено соответствие периода естественного старения при длительном хранении (в годах) и искусственного (ускоренного) старения (в днях) семян сосны обыкновенной. Изучены закономерности индивидуальной изменчивости семян сосны обыкновенной в процессе старения, которые позволили выделить четыре группы семян по их устойчивости к старению в процессе хранения: устойчивые, среднеустойчивые, неустойчивые и непригодные к хранению. Разработан критерий диагностики устойчивости семян сосны обыкновенной к старению по скорости изменения энергии прорастания с определением срока хранения семян без существенных генетических изменений.

Практическое значение. На основе проведенных исследований впервые разработана многофакторная модель прогнозирования

устойчивости семян к старению по показателям изменения энергии прорастания,всхожести и процента хромосомных аберраций.Доказана практическая пригодность предложенной модели. Проведен отбор перспективных деревьев сосны обыкновенной на ЛСП для дальнейшей работы по селекции на устойчивость семян к старению.Разработана и апробирована на практике методика определения устойчивости семян сосны обыкновенной к старению, позволяющая устанавливать наиболее целесообразный период времени посева семян сосны обыкновенной в питомниках и на лесокультурной площади.

На защиту выносится: 1 - исследование качественных и генетических изменений семян сосны обыкновенной при длительном и сверхдлительном хранении; 2 - закономерности индивидуальной изменчивости, которые позволили выделить четыре группы устойчивости семян к хранению: устойчивую, среднеустойчивую, неустойчивую и не пригодную к хранению; 3 - критерии диагностики устойчивости к старению по энергии прорастания; 4 - многофакторная модель исследования прогнозирования устойчивости семян сосны обыкновенной к старению в процессе хранения.

Личный вклад. Автором разработана программа и методика проведения работ, проведены экспериментальные исследования и их математическая обобработка с использованием ПК. проанализированы и обобщены материалы исследования.

Апробация работы. Разультаты исследований докладывались на научно-технических конференциях МЛТИ в 1986, 1987, 1988 и 1989 гг. Материалы исследования вошли в текст лекций "Перспективы искусственного лесовыращивания" (А.Р.Родин и др. 1995г.).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 6 научных статьях, опубликованных в сборниках научных трудов Московского лесотехнического института и в журнале "Лесное хозяйство".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы из 318 наименований (в том числе 37 на языке оригинала) и пяти приложений. Общий объем диссертации 1-78 страниц; в том числе - 9 таблиц, 18 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. УСТОЙЧИВОСТЬ СЕМЯН К СТАРЕНИЮ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Изучению вопросов старения семян посвящено много работ как у нас в стране, так и за рубежом. Доказано, что в процессе старения происходят метаболические и цитологические изменения, приводящие к повреждению генетического аппарата (Бар-тон 1964, Орлова 1968, Роберте 1978, Солдатова 1980, Смирнов

1989, Казанина 1991 и др.). Появление хромосомных аберраций при длительном хранении присуще семенам всех растений (Волков, Добрев 1987). Все мутации, затрагивающие метаболические или регуляторные процессы на клеточном или молекулярном уровне приводят к значительному сокращению продолжительности жизни (Фро-лькис 1982). Тем не менее многолетний опыт хранения семян сельскохозяйственных культур показал существенные различия сортов одного вида по долголетию, что свидетельствует о ведущем значении генетических факторов в определении продолжительности жизни. Существующие гипотезы старения сводятся к тому,что именно ген - первый реагирует на возникающие изменения, инициирующие процесс старения, а продолжительность жизни зависит от наличия механизмов репарации (Канунго 1982, Фролькис 1982, Ос-борн 1982).

В лесном хозяйстве заготовка семян ведется на популяцион-ном уровне. На хранение закладывают семена с разными наследственными особенностями, то есть заведомо не зная срока их возможного хранения до появления существенных качественных и генетических изменений. Следовательно, для того, чтобы решить вопрос длительного хранения семян сосны без существенных качественных и генетических изменений, необходимо изучить эти изменения в процессе хранения, а также определить характер индивидуальной изменчивости по устойчивости к старению. Это позволит установить диагностический критерий устойчивости семян к старению в процессе их хранения.

Для имитации длительного хранения семян широко используется метод искусственного старения, разработанный Делушем и Баскиным (1965) и модифицированный многими авторами: Лихачев (1978),(1980), Орлова(1968), Смирнов (1989), Маханичек (1989), Солдатова (1982). На основе большого объема исследований Б.С.Лихачев(1980) пришел к выводу, что ускоренное старение семян сельскохозяйственных культур по общей направленности обменных процессов, а также по последствиям, которые они вызывают, сходно с длительным хранением семян в контролируемых и неконтролируемых условиях. Ключевым моментом в этом вопросе является определение сопряженности времени естественного хранения и искусственного старения. Предшествующие исследования показали, что в процессе хранения семян происходят их качественные и генетические изменения, которые у популяций (сортов) одного и того же вида различны. В тоже время рядом авторов доказано, что использование метода искусственного старения семян оправдано для имитации их длительного хранения. Однако, применение этого метода для каждого конкретного объекта исследования имеет свои особенности, вследствие чего сам метод в

каждом конкретном случае нуждается в модификации. В настоящей работе предложена оценка устойчивости семян сосны обыкновенной к искусственному старению, которая позволяет прогнозировать скорость естественного старения семян при длительном хранении.

2. ПРОГРАММА РАБОТ. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ.

Программой исследования предусматривалось:

1. Изучение качественных и генетических изменений в семенах сосны обыкновенной при их хранении (от 0 до 18 лет).

2. Разработка методики искусственного старения семян. Искусственное состаривание свежесобранных семян сосны обыкновенной до состояния 18 летнего срока хранения.

3. Изучение изменчивости семян от отдельных особей по устойчивости их к старению с использованием показателей энергии прорастания, всхожести и процента аберраций.

4. Выявление влияния степени старения семян на качество посадочного материала.

5. Установление связи устойчивости семян к старению с морфологическими признаками дерева.

6. Проверка установленной связи по контрольной совокупности деревьев.

Изучение перечисленных вопросов выполнено методами полевых и лабораторных опытов.Влияние сроков хранения (от 0 до 18 лет) на развитие мутационного процесса,изменение качественных показателей семян и сеянцев изучали на образцах семян сосны обыкновенной, собранных в разные годы с одних и тех же деревьев, произрастающих на постоянном лесосеменном участке Ивантеевского лесопитомника. Возраст материнских сосен - 38 лет. Средняя высота - 13,5 м. Класс бонитета - 2. Семена перед закладкой на хранение доводили до оптимальной влажности 5-7% в соответствии с ГОСТом и хранили до 18 лет в герметически закрытых бутылях. В момент закладки на хранение все образцы имели энергию прорастания 96-98%, всхожесть 96-99%. Ежегодно в весенний период определяли показатели качества семян и на давленных препаратах подсчитывали количество аберрантных клеток.

При изучении искусственного старения семян в основу взят метод Делуша и Баскина (1965). Искусственное старение осуществляли в сушильном шкафу КВС С-65\250, семена рассыпали на плоскую поверхность в один слой и помещали в него при температуре +40°С и относительной влажности воздуха 85-90%. При испытании партий семян каждые 5 дней отбирали пробы по 100 штук семян, в 4-х повторностях для определения качественных и генетических изменений.

Определение посевных качеств семян сосны после искусственного старения проводили в полевых условиях.

Индивидуальную изменчивость семян по их устойчивости к старению и характер связи с параметрами материнских сосен изучали посредством подеревного сбора образцов шишек со 100 особей. Масса шишек определялась на весах СНШАМ РЗУ200. Содержание семян в шишке и полнозернистость шишек опряделяли путем извлечения семян и подсчета их числа. Массу 1000 семян определяли на весах АДВ-200М. Шишки и семена с каждого дерева описывали по методике Л.Ф.Правдина (1972). Балловую оценку урожая оценивали по методу, Н.Н.Корчагина. Из таксационных показателей определяли: высоту и диаметр дерева.

Статистическую обработку собранных данных проводили по методике. Рокицкого (1974) и Лакина (1973). Математическую обработку результатов исследования проводили методом корреляционно-регрессионного анализа. Уравнения регрессии, описывающие скорость старения как функции от двух до четырнадцати параметров рассчитывали в Московском государственном университете леса на ПЭВМ по стандартной программе КЕСОЙ. Прогностическая ценность полученных уравнений оценивалась на новой выборке материнских деревьев из того же насаждения, посредством сравнения данных старой и новой выборки.

Исследовательские работы проводили в течение 7 лет.За этот период проведено обследование и изучение индивидуальной изменчивости на 100 модельных деревьях. Были проведены замеры биометрических показателей у всех растений.Изучены морфометри-ческие характеристики шишек и семян сосны (свыше 5000 шишек, около 125 тыс.семян сосны). Просмотрели свыше 10 тыс.препаратов корешков семян сосны обыкновенной.Высеяли 80тыс.семян сосны обыкновенной. Провели свыше 200тыс. биометрических замеров сеянцев сосны. Результаты иследований проверили на контрольной совокупности из 20 модельных деревьев. Объем проведенных работ обеспечивает их статистическую достоверность на 95% уровне значимости.

3.ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ И ИСКУССТВЕННОГО СТАРЕНИЯ СЕМЯН НА ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ И МУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС В СЕМЕНАХ.

В основу исследования динамики жизнеспособности семян сосны обыкновенной и мутационного процесса возникающего в семенах при их хранении брали показатели изменения энергии прорастания (Е) и всхожести (Ш), а также показатель мутационного процесса (Р). Выбор этих показателей обусловлен тем, что все они имеют самостоятельную смысловую нагрузку. Изменение V/ отражает фенотипическое выражение накопленных дефектов и

зависит не только от скорости накопления этих дефектов, но и от самих исходных особей. Генетические изменения Р характеризуют жизнеспособную часть семян и представляют интерес только для оценки выжившего потомства. Падение Е позволяет наиболее точно описать накопление новых генетических дефектов в процессе старения. Характер влияния длительности хранения семян на их жизнеспособность и уровень мутирования представлен в табл.1. Под жизнеспособностью в работе понимается генетически обусловленный период максимальной биологической активности семян, при котором они дают номально развивающееся потомство.

Исследование зависимости изменения Е , И и Р от времени позволило установить, что на первом этапе хранения энергия прорастания -Ей количество аберраций - Р изменяются незначительно. После пяти лет хранения показатели Е и Ш резко падают. причём V? падает несколько медленне, чем Е, и к 15 и 18 '^одам хранения они, соответственно, достигают величин: Е = 8% и 1%, И = 34% и 28%, Р = 13% и 15%. Таким образом установлено, что длительное хранение отрицательно влияет на жизнеспособность семян сосны обыкновенной,и увеличивает мутационный процесс в семенах, поэтому исследования жизнеспособности семян и мутационного процесса в них должны производиться взаимосвязанно.

Таблица 1.

ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ХРАНЕНИЯ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ ИХ КАЧЕСТВА И УРОВЕНЬ МУТИРОВАНИЯ

. | I I

Длительность |Энергия прорас-| Всхожесть |Кол-во хромосомных хранения (лет) |тания (Е), % | (Щ, % | аберраций (Р), %

__I_I_I_

0 97 ± 1 99 ± 1 1,2 ± 0,1

1 97 ± 1 99 ± 1 1.4 ± 0,2

2 94 ± 1 98 ± 1 2,9 ± 0,2

3 94 ± 2 97 ± 3 3,3 ± 0,3

4 92 ± 3 93 ± 3 3,8 ± 0,3

5 90 ± 3 93 ± 3 4,3 + 0,4

6 82 ± 3 91 ± 3 5,8 ± 0.6

15 8 ± 2 34 ± 2 13,0 ±0,7

18 1 ± 1 28 ± 3 15,0 ± 0.7

Существующие зависимости скорости нарастания мутационного процесса и изменения качественных показателей семян от условий их хранения позволяют моделировать процесс старения. Моделирование должно проводиться на основе сопоставления скорости нарастания мутационного процесса и изменения качественных показателей семян при естественном хранении и искусственном старе-

нии. "Катализаторами" убыстренного искусственного старения были выбраны повышенная температура и влажность воздуха.

О сходстве биохимических изменений в семенах при длительном хранении и ускоренном старении пишут многие авторы. Основываясь на опыте предшествующих исследователей и предваритель-льных результатах проведенных нами экспериментов,для настоящего исследования были выбраны следующие параметры ускоренного старения: температура +40°С, относительная влажность: 85-90%. время экспозиции: 5; 10; 15; 20; 25; 30 и 35 дней.

Для анализа процесса искусственного старения семян были взяты те же показатели.что и для естественного старения:ЕЛ,Р.

Результаты анализа показывают, что падение показателей качества происходит после 10 дней искусственного старения.Увеличение процента аберраций сопровождается изменением энергии прорастания и всхожести семян. На накопление генетических изменений первой реагирует энергия прорастания - Е . До 25 дней пребывания в условиях повышенной температуры и влажности мутационный процесс остается на уровне 6-8%, что свидетельствует о включеном механизме репарации. К 30 дням искусственного, старения в семенах накапливается максимальное количество генетических дефектов, механизм репарации ослабевает, мутационный процесс увеличивается и наблюдается тенденция резкого падения Е и И (табл.2).

Таблица 2.

ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ИСКУССТВЕННОГО СТАРЕНИЯ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ НА ИХ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА И УРОВЕНЬ МУТИРОВАНИЯ

Время искусственного старения,дни 1 Энергия про- | растания (Е), | % 1 | Всхожесть (VI), % 1 1 Количество абер- | раций (Р), % 1 1

0 95 98 1,26

5 91 92 3,45

10 90 90 4,07

15 76 78 6,60

20 29 71 7,08

25 25 55 7,50

30 20 46 9,60

35 3 30 12,80

Таким образом, полученные нами данные об изменении показателей Е, ДО и Р при искусственном старении семян, а также данные об изменении этих же показателей при естественном старении семян, позволяют сравнить процессы естественного и искусст-

венного старения, определить соответствие дней искусственного годам естественного старения.

Временной масштаб сопоставления (1 год=Х дней) и его начальные условия (0 дней=0 лет) подобраны так. чтобы среднее квад-ратическое отклонение всех трех исследуемых показателей при естественном старении семян:Еест.Иест и Реет, вдоль линий описывающих динамику искусственного старения: Ейск, У/иск и Риск, были минимальными. Характер изменения показателей Е,И и Р при искусственном и естественном старении практически одинаков. Вначале происходит их медленное изменение:(для Е и К - медленное падение, для Р - медленный рост), затем, после перелома (примерно в 5 лет естественного старения и 10 дней искусственного старения) скорость падения Е и И, а также нарастания Р увеличивается. После их резкого падения (соответственно до 15 лет естественного хранения и 30 дней искусственного старения) наступает следующий перелом, после которого Е и К более плавно стремятся к нулевой отметке, а Р еще более круто стремится к максимуму. На первом этапе старения для Р соотношение день/год составило: 1 год=1,9 дня. Для Е: 1 год=2, 5 дня,и для V/: 1 год= 2,7дня. Самым "чувствительным" показателем процесса старения является Р. На втором этапе старения соотношение день/год составило для Р: 1 год=2,0 дня, для Е: 1 год=2,1дня, для М: 1год= 2,5дня. Приоритет в реагировании на процесс старения остается за Р. На третьем этапе старения соответствие день/год составило для Р: 1год=1,1дня, для Е 1год=1,2 дня, для № 1год=1,25 дня.

Проведенные нами исследования показали,что изменению энергии прорастания и всхожести предшествуют изменения в семенах на генетическом уровне. Поэтому для качественной индикации семенного фонда, закладываемого на длительное хранение, в первую очередь необходимо определять устойчивость смеси семян к генетическим изменениям при ускоренном старении. Это является ключей к определению устойчивости семян к длительному хранению.

4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ ПО СЕМЬЯМ В ПРОЦЕССЕ СТАРЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СЕМЯН К СТАРЕНИЮ.

Изучение закономерностей индивидуальной изменчивости семян в процессе старения по скорости накопления аберраций и снижению всхожести, позволяет прогнозировать целесообразность дальнейшего использования семян, как с насаждений, так и с отдельных деревьев. Это ключ к разработке надежного критерия диагностики устойчивости семян к хранению. В целях проверки данной гипотезы подеревно собранные семена помещали в термостат с теми же параметрами, что и для искусственного старения смеси семян, где они старились в течение 35 дней. Результаты исследова-

ния показали, что всхожесть семян при искусственном старении изменяется у всех исследуемых особей неравномерно. До определенного предела - медленно, затем скорость падения всхожести резко возрастает. Подобный характер изменения наблюдается не только при старении, но и при действии на семена разнообразных повреждающих факторов: до определенного предела семена почти не реагируют на увеличение дозы фактора, затем следует перелом и быстрое падение ДО до величин близких к нулю.

Начало резкого снижения W связано с накоплением определенной суммы повреждений генома, складывающейся из исходных повреждений, присущих данной семье, данному году с его специфическими условиями формирования урожая и повреждений, накопленных в процессе воздействия контролируемого фактора. Симптомом критического состояния семян служит снижение V/ до "критического" уровня. Для большинства семей семян сосны обыкновенной таким уровнем, по нашему мнению, служит V = 90%. До этого уровня И при искусственном старении снижается от исходного значения со скоростью: 0,5 - 1% в сутки, после достижения указанного уровня скорость падения V/ резко возрастает.. По изменению IV до этого уровня, нами установлены 4 группы семей семян по их устойчивости к старению:

- группа устойчивых семян имеет скорость снижения всхожести на всем протяжении искусственного (ускоренного) старения не более 0,07% в сутки, при этом значение Мкритич. не достигается на всем 35 дневном периоде старения;

- группа среднеустойчивых семян имеет начальную скорость падения IV около 1% в сутки, по достижении критического уровня (примерно на 15-день искусственного старения), скорость падения V/ резко увеличивается до 2, 6% в сутки;

- группа неустойчивых семян имеет начальную скорость падения V/ около 0,9-1,0% в сутки, но по достижении критического уровня (примерно на 10-й день искусственного старения), скорость падения IV возрастает до 4% в сутки;

- группа не пригодных к хранению семян имеет начальную скорость падения N 3,2% в сутки, причем IV сразу достигает критического уровня.

Приведенные 4 группы определяют характер изменения V/ и позволяют определить максимальный срок ускоренного старения до полной потери всхожести :

- для устойчивых семян - 55-60 дней;

- для среднеустойчивых - 40-45 дней;

- для неустойчивых - 30 дней;

- для не пригодных к хранению семян - 20-25 дней. Аналогичные результаты наблюдаются при наблюдении за измене-

нием энергии прорастания Е, и количества аберраций Р. В динамике накопления количества аберраций выделяются 3 фазы: линейного роста количества аберраций - Р1,задержки или остановки накопления количества аберраций - Р2, (причем в отдельных группах наблюдается в этой фазе даже снижение количества аберраций). и повторного линейного роста количества абераций - РЗ.

Остановка в накоплении Р, по нашему мнению, не связана с отмиранием и непрорастанием наиболее поврежденных эмбрионов. Во многих семенах она наблюдается при отсутствии заметных изменений V/. По-видимому накопление хромосомных аберраций до некоторого критического уровня приводит в действие аварийные генетические механизмы репарации. Работа этих механизмов на определенное время приостанавливает рост Р. Таким механизмом может служить включение-выключение генов,управляющих интенсивностью митотической репарации "гес-генов", фазу остановки роста Р можно назвать репарационной фазой (Жученко 1978, 1985). Отдельные особи различаются по скорости накопления повреждений на фазе линейного роста Р, по времени репарационной фазы и её длительности. Длительность фазы задержки роста Р2 у групп устойчивых семян составляет 10 дней,у среднеустойчивых - 5 дней, у неустойчивых: 1- 2 дня. Фаза остановки или репарации у всех групп начинается после 10 дней искусственного старения. Идентифицировать данную фазу у группы непригодных к хранению семян не удалось из-за практически линейного изменения показателей на всем их протяжении. Очевидно для этой группы аварийные генные механизмы не действуют. Характер изменения показателей Е, И и Р для семян по группам устойчивости в процессе искусственного старения представлен на рис.1.

Проведенные нами исследования позволили установить,что на старение в наибольшей степени реагирует Р, затем Е и лишь потом №. Учитывая,что показатели Р,Е и Я находятся во взаимосвязи, а показатель Р труднодоступен для исследования, нами предложено определять устойчивость семян сосны обыкновенной к старению на основе изменения Е.

Устойчивость семян сосны обыкновенной к старению в наших наблюдениях показывает большую вариабельность. Для определения групп устойчивости семян к старению сопоставлены границы отклонений исследуемых групп семян по устойчивости от своих средних значений. Границы каждой группы определялись на основе индикации стандартного доверительного интервала "двух сигм",поскольку объем проведенных нами исследований и результаты работ предшествующих авторов позволяют предположить, что исследуемые показатели изменяются по нормальному закону распределения. Для каждой группы устойчивости семян определялись границы отклоне-

СЕМЬИ СЕМЯН УСТОЙЧИВЫЕ СЕМЬИ СЕМЯН СРЕДНЕЙ

К СТАРЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ К СТАРЕНИЮ

Дни ускоренного старения Дни ускоренного старения

СЕМЬИ СЕМЯН СЕМЬИ СЕМЯН

НЕУСТОЙЧИВЫЕ К СТАРЕНИЮ НЕ ПРИГОДНЫЕ К ХРАНЕНИЮ

Дни ускоренного старения Дни ускоренного старения

Рисунок 1. Характер изменения показателей энергии прорастания (Е), всхожести (ДО) и количества аберраций (Р). в процессе искусственного старения семей семян сосны обыкновенной различных по устойчивости к старению.

ний от соответствующих тенденций изменения их энергии прорастания. Графики изменения показателей устойчивости семян (с учетом границ 95% доверительного интервала по каждой группе) по Е

5 . 15 25 35

Дни ускоренного старения Рисунок.2. Определение по показателю Е дня окончательного расхождения семян различных групп устойчивости (1-устойчивая, 2-среднеустойчивая, 3-неустойчивая, 4-не пригодная к хранению).

Как видно из рисунка 2 окончательное расхождение всех четырех групп устойчивости происходит на 15-й день искусственного старения. Это день расхождения нижней границы среднеустойчивой группы и верхней границы неустойчивой группы семян. Остальные нижние и верхние границы других групп устойчивости расходятся на 5-й или 10-й дни ускоренного старения. Таким образом, все образцы вновь исследуемых партий семян для отнесения их к той или иной группе устойчивости надо старить не менее 15 дней.

Зная соответствие дней искусственного старения годам естественного хранения, мы определили максимально возможный срок хранения семян без существенных генетических изменений для каждой группы устойчивости:

- семена устойчивые к хранению - хранить в течение 7-8 лет;

- семена среднеустойчивые к хранения - в течение 5 лет;

- семена неустойчивые к хранению - в течение 2-х лет;

- семена непригодные к хранению - высевать сразу после сбора.

Дополнительно нами были проведены исследования влияния старения на качество сеянцев сосны обыкновенной, полученных в результате проращивания искусственно и естественно состаренных семян. Указанные исследования показали.что селективные изменения структуры семей, связанные с отбором сеянцев сосны обыкновенной по фактору замедленного роста, начинаются после 2-5 лет естественного хранения семян. При этом ключевую роль играет исходное состояние семян.

5. СВЯЗЬ СКОРОСТИ СТАРЕНИЯ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ С МОРФОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ МАТЕРИНСКИХ ДЕРЕВЬЕВ И С ИСХОДНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КАЧЕСТВА ИХ СЕМЯН.

Проведенные нами опыты по искусственному старению семян сосны обыкновенной выявили статистически существенные различия между отдельными полусибсовыми семьями по параметрам изменения Е, W и Р. Чтобы установить причины различий по скорости старения между отдельными полусибсовыми семьями и, на этой основе, определить параметры наиболее перспективных, с точки зрения прогнозирования устойчивости к хранению, семян, нами были исследованы статистические взаимосвязи скорости старения с морфологическими параметрами материнских сосен и исходными показателями качества семян. Была исследована корреляционая зависимость скоростей изменения E,W и Р (обозначенных как Е", W" и Р") со следующими показателями:

- Н - высота материнского дерева (м);

- D - диаметр ствола на высоте 1,3 метра (см);

- Le - средняя длина шишки (см);

- Кс - средний диаметр шишки (см);

- Ve - средняя масса шишки (гр);

- Se - среднее число семян в одной шишке (штук);

- Мо - масса 1000 семян (гр);

- В - балл плодоношения (в баллах);

- Р" - скорость нарастания мутационого процесса (%/день);

- W" - скорость падения всхожести (%/день);

- Е" - скорость падения энергии прорастания (%/день);

- Wo - исходное значение всхожести (%);

- Ео - исходное значение энергии прорастания (%);

- Tw - время потери жизнеспособности семян (день).

Была установлена статистическая взаимосвязь рассмотренных параметров материнских деревьев и показателей качества семян сосны обыкновенной с характеристиками скорости старения (E",W" и Р"). Для нахождения наиболее корректной оценки связи указан-

ных признаков, был использован метод наименьших квадратов. Далее осуществлен выбор функции для построения моделей трендов. На основании ранее проведенных нами исследований и опыта предыдущих авторов была выбрана линейная форма тренда. Проверка полученых уравнений на статистическую достоверность подтвердила правильность этого решения на 95% уровне значимости.

Для определения силы связи исследуемых признаков был применен метод корреляционно-регрессионного анализа. Статистическая достоверность исследуемых связей определялась при помощи матриц коэффициентов парной корреляции. Предварительно были проведены исследования, в результате которых установлено, что существует четыре уровня накопления скрытых генетических нарушений для наблюдаемой совокупности особей. Эти уровни соответствуют изученным нами четырем группам по чувствительности к старению. Для параметра Р" эти группы статистически существенно отличаются друг от друга и имеют следующие границы:

- 1 уровень (устойчивая группа) - Р" = 0% -...- 1,35%;

- 2 (среднеустойчивая группа) - Р"= 1,36% -...- 2,35%;

- 3 (неустойчивая группа) - Р"= 2,36% -...- 2,95%;

- 4 (не пригодная к хран.группа) - Р" = 2,96% -...- бесконечн. Аналогичное распределение на группы было получено по Е" и №'.

При рассмотрении корреляции показателей скорости старения семян сосны обыкновенной между собой, а также с признаками материнских деревьев и показателями качества семян, установлено, что характер усредненной по выборке взаимосвязи и ее теснота определяются несколькими независимыми системами изменчивости. Поэтому для прогноза скорости старения семян сосны обыкновенной целесообразно рассматривать уравнения множественной регрессии - одни параметры позволяют предсказать групповую принадлежность данной семьи, другие - прогнозировать изменения устойчивости семян данной группы к старению.

Для трех параметров скорости старения семян (Е",№" и Р") нами получены уравнения множественной регрессии с включением от двух до 14 предикторов. По мере увеличения числа параметров теснота связи возрастает. Максимальная теснота связи для исследуемых нами параметров скорости старения достигается при использовании трех указанных в уравнениях групп факторов.

Для уравнений, прогнозирующих скорость накопления хромосомных аберраций Р", при объединении признаков из трех разных групп независимых переменных максимальное значение показателей тесноты связи №=0,8; В=0,64; Е=9,48) определено в уравнении регрессии:

Р" = -0,28*Н + 1,25*Кс - 0,085*Ео.+ 11,52 где: Кс - средний диаметр шишки (см);

Н - высота материнского дерева (М);

Ео - исходное значение энергии прорастания (%).

Уравнение, прогнозирующее скорость падения энергии прорастания Е" при максимальных значениях Е;=0,70; В=0,49; Г=5,24, имеет вид:

Е" = -2,64*Ус - О,67*Мо + 0,16*Бс - 2,96 где: Ус - средняя масса шишки (гр);

Бс - среднее число семян в шишке (штук);

Мо - масса 1000 семян (гр).

Уравнение, прогнозирующее скорость падения всхожести №' при максимальных значениях И=0,65; В=0,42; Г=3,86 , имеет вид: И" = 0, 61*0 - 2,85*Ус + 0,40*Бс - 22,03 где: Б - диаметр дерева (И).

Ус - средняя масса шишки (гр);

Бс - среднее число семян в шишке (штук).

Все приведенные уравнения статистически достоверны на 95% уровне значимости (пороговые значения для указанного уровня значимости составляют: 13=0,46; В=0,21; Г=3,40). Полученные уравнения связи позволяют по имеющимся фенотипическим данным определять степень устойчивости к старению семян сосны обыкновенной в процессе их последующего хранения.

Для прогнозирования скорости старения семян в процессе их хранения необходимо предварительное определение значений Е".ВД" и Р", что возможно только при наличии соответствующего оборудования. времени и значительных затрат, в то же время определение фенотипических показателей, и, уже на их основе, численный расчет показателей старения и Р",не представляет проблем.

Для подтверждения правильности полученных нами теоретических моделей определения устойчивости к старению семян сосны обыкновенной была проведена практическая проверка полученных результатов. Для этого по контрольной совокупности из 20 деревьев были определены показатели старения Е", VI" и Р" обычным способом, а затем способом предложенным нами.

Сравнение теоретических и практических значений Е",№' и Р" было произведено по трем последовательно применяемым критериям:

1. Определение принадлежности к одной статистической совокупности сравниваемых показателей по I критерию Стьюдента.

2. Определение уровня достоверности силы связи между показателями по коэффициенту корреляции, детерминации и критерию Фишера.

3. Определение статистического отличия от нулевого значения разностей сравниваемых величин показателей.

Проверка по всем трем критериям подтвердила идентичность сравниваемых показателей на 95% уровне значимости, результаты проверки представлены в табл. 3.

Таблица 3.

СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СКОРОСТИ СТАРЕНИЯ СЕМЯН СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ ПО ТРЕМ КРИТЕРИЯМ --!-!-1--

Исходные значения: Е",ДО" и Р"

м 1 М

теор. 1 практ.

/ I /

б 1 (5

теор. I практ.

1 крите рий: Сть-юдента

I расч.

г табл. (йаб. = 2,22)*

2 критерий:

Коэфф. Коэфф. Крите- 1 м |

детер- рий |разно-|

корре- мина- |стей [

ляции ции Фишера 1теор.|

В Г |и пра-|

(Итабл. (Втабл. (Гтабл. |ктич.|

=0,70) =0.49) =5,6) I рядов 1

* * *

0,95 0,9 36,0 1 0,1 |

0,92 0,85 22,7 1-0,5 1

0,87 0, 76 12,7 1-5.3 |

3 критерий: Границы разностей

<3" I

тео-1 рет. I и I

пра-|

КТИЧ-1

ря- I

дов I

Границы разностей: *

2,38 0,99

-12,5 2,91

-19.0 4,3

2,12 0,91

-12,8 5,52

-24,4 7.4

1р=0, 15 Ър=0,12 1р=1, 55

_1_

I_1_

О, 91 -0, 8: +1, О I I

5,31-5, 8:+5, 2

I I

6.81-12, 1: +1, 5

I

|_

♦ -Примечание к таблице:М-среднее арифметическое, (э -среднее ква-дратическое отклонение; все табличные значения приведены для 95% уровня значимости; внутри границ разности - значение "О".

Согласно приведенным данным все три показателя старения семян: Е", ДО" и Р", рассчитанные теоретически, адекватно отражают практические значения этих же показателей, определенных для одной и той же контрольной совокупности особей.

Таким образом, предложенная нами трехфакторная система определения принадлежности исследуемых особей к определенной группе устойчивости подтвердила свою правильность.

Определение принадлежности каждой исследуемой контрольной особи к определенному классу устойчивости на основе средних арифметических значений практических и теоретических показателей Е",Щ" и Р",представлено в табл.4. Несовпадение показателей теоретического и практического отнесения контрольных особей к

определенной группе устойчивости установлено только у одной контрольной особи - N13,что соответствует 95% уровню достоверности (в табл. 4 несовпадение помечено знаком- "*"}.

Таблица 4.

ПРИНАДЛЕЖНОСТЬ К ГРУППАМ УСТОЙЧИВОСТИ КОНТРОЛЬНЫХ ОСОБЕЙ СОСНЫ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКИМ И ПРАКТИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ

Средние арифмети ческие NN п\п контрольных деревьев

111111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|14|15|16|17|18 111111111 1 1 1 1 1 1 1 1 19 20

По теоретич критериям Е",ЭД",Р" 213424312123432421 3 3

По практич. критериям Е",1Г,Р" 213424312 1 2 3 3* 3 2 4 2 1 2 3

На основе полученных теоретически значений Е",№' и Р" было произведено отнесение исследуемых особей к различным группам устойчивости. Для этого было исследовано около 140000 семян и 100 особей материнских деревьев сосны обыкновенной. Указанное количество наблюдений, с точки зрения ранее проведенных аналогичных исследований и теории статистики достаточно для получения достоверных оценок на 95% уровне значимости.

Распределение групп устойчивости по Е",\Г и Р" представлено в табл. 5.

Таблица 5.

ПАРАМЕТРЫ ГРУПП УСТОЙЧИВОСТИ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ Е"Д" и Р". (%)

Показате-| ГРУППА УСТОЙЧИВОСТИ

ли старе-1-1-|--1-

ния |1(устойчи-|2 (среднеус- |3 (неустой- |4(не пригодная I вая) | тойчивая) | чивая) | к хранению)

_I_I_:_I_

Р" 0 * 1,35 1,36 * 2,35 2,36 * 2,95 2,96 * °о Е" 0 * (-13, 7) -13, 71* (-17,9) -17, 91* (-22, 9) -22,91*(-~>) Ш" 0 * (-7, 8) -7, 81* (-12. 5) -12. 51* (-16. 2) -16,21*(-<*э)

Таким образом,на основе вышеприведенных данных и расчетов, можно производить отнесение анализируемых образцов семян сосны обыкновенной к той или иной группе устойчивости по сохранению посевных качеств семян, с вероятностью ошибки не более 5 %.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Выполненные исследования позволили сделать следующие конкретные выводы и рекомендации:

1. Продолжительность сохранения жизнеспособности семян сосны обыкновенной - генетически обусловленный процесс. Высокая степень всхожести свежих семян не дает достаточных гарантий сохранения их посевных качеств при длительном хранении.

2. Для семян сосны обыкновенной по показателям Е", VI" и Р" определено соответствие процесса естественного хранения (в годах) дням искусственного старения.

3. Наиболее чувствительным показателем, свидетельствующим о начавшемся в семенах процессе старения является нарастание мутационного процесса- Р. Почти одновременно с нарастанием Р на начавшийся процесс старения реагирует показатель энергии прорастания- Е, а последним показатель всхожести- №.

4. По индивидуальной изменчивости семян к старению установлено 4 группы устойчивости: устойчивая, среднеустойчивая, неустойчивая и не пригодная к хранению.Исследования влияния старения на качество сеянцев сосны обыкновенной, полученных в результате проращивания искусственно и естественно состаренных семян, показали, что селективные изменения структуры семей,связанные с отбором сеянцев сосны по фактору замедленного роста, начинаются после 2-5 лет естественного хранения семян.

5. Выявлена достаточно тесная связь показателей скорости старения семян сосны обыкновенной с признаками материнских деревьев и показателями качества этих семян. Характер усредненной по выборке взаимосвязи и ее теснота определяются, как правило, несколькими независимыми системами изменчивости. Поэтому для прогноза скорости старения семян сосны обыкновенной необходимо рассматривать уравнения множественной регрессии: одни параметры уравнения позволяют предсказать групповую принадлежность данной особи, другие - прогнозировать изменения устойчивости к старению семян данной группы.

6. Полученные уравнения регрессии, определяют связь исследуемых показателей старения семян с морфологическими параметрами особей сосны обыкновенной. Указанные уравнения соответствуют практическим значениям показателей старения, полученным на той же совокупности особей, с 95% уровнем достоверности.

7. Способ оценки устойчивости особей сосны к искусственному старению позволяет прогнозировать скорость естественного старения семян при их длительном хранении.Имея информацию о морфологических параметрах исследуемых особей сосны, можно с достаточной точностью определить устойчивость их семян к старению. В результате этого не требуется в дальнейшем определять трудно-

доступные показатели старения: E",W" и Р",а ограничиться минимальным набором информации при установлении принадлежности семян исследуемых особей к группам устойчивости при их хранении.

8. Семена устойчивой группы можно хранить, без потери их посевных качеств,в нерегулируемых условиях до 7 лет, среднеус-тойчивой группы - до 5 лет, неустойчивой - до 2-х лет, а семена непригодной к хранению группы - высевать сразу после сбора.

9. При закладке на хранение семян сосны обыкновенной, собранных в условиях существенно отличающихся от условий климата региона исследования, использование предложенной в настоящей работе методики необходимо осуществлять следующим образом:

Первоначально проводится ускоренное старение семян при температуре +40"с и влажности воздуха 85-90%. Затем устанавливаются значения Е", W" и Р" исследуемой совокупности семян сосны обыкновенной. Далее определяются статистически существенные связи между этими показателями и морфологическими параметрами материнских деревьев и их семян. После этого вычисляются уравнения связи, по которым устанавливаются группы устойчивости исследуемых семян.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Частота и характер хромосомных перестроек при длительном хранении семян сосны обыкновенной. В сб. Создание высокопродуктивных лесных насаждений и повышение производительности лесов.М., МЛТИ. Выпуск 185. 1986. 31-35 с.

2. Изменчивость деревьев сосны обыкновенной по качеству семян и устойчивости хромосомного аппарата при прогнозировании семян к длительному хранению. В сб.Рациональное использование, охрана и воспроизводство лесных ресурсов. М., МЛТИ. 1987. Выпуск 187. с. 38-41.(в соавторстве).

3. Влияние длительного хранения семян сосны обыкновенной на качество сеянцев. В сб. Рациональное использование, охрана и воспроизводство лесных ресурсов. М.. 1988. МЛТИ. Выпуск 198. с.19-23. (в соавторстве).

4. Межсемейные различия скорости старения семян сосны обыкновенной.- В журнале: Лесное хозяйство, 1989 N2. М., Экология с.36-40. (в соавторстве).

5. Прогнозирование устойчивости семян сосны обыкновенной к длительному хранению. В сб. Современные методы выращивания древесных насаждений на селекционно-генетической основе. М., МЛТИ. 1989. Выпуск 211. с.114-117. (в соавторстве).

6. Качество посадочного материала сосны в зависимости от срока искусственного старения семян. В журнале: Лесное хозяйство. 1991. N 4. М.,Экология , с. 32-34.(в соавторстве).