Микроспорогенез и развитие пыльцевых зерен у гибридов облепихи крушиновидной ( h ippopha ё rhamnoides L. ) разного эколого-географического происхождения

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2013, № 3

УДК 634.74:581.331.2

МИКРОСПОРОГЕНЕЗ И РАЗВИТИЕ ПЫЛЬЦЕВЫХ ЗЕРЕН У ГИБРИДОВ ОБЛЕПИХИ КРУШИНОВИДНОЙ

РАЗНОГО ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Т.Н. КУЗНЕЦОВА1, Д.А. ЛАПШИН2

Облепиха крушиновидная (Hippophae rhamnoides L.) представляет интерес как пищевое и лекарственное растение. Ее плоды содержат витамины C, Bi, B2, E, P, полиненасыщенные жирные кислоты, каротин, другие биологически активные вещества. Основным лимитирующим фактором интродукции облепихи служит температурный режим зимне-весеннего периода, причем к неблагоприятным условиям наиболее чувствительна мужская генеративная сфера. Мы изучали микроспорогенез у гибридов Hippophae rhamnoides L. разного эколого-географического происхождения селекции Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии. Проводили мониторинг этапов микроспорогенеза и развития пыльцевого зерна. Стадию развития мужского га-метофита определяли на давленых временных препаратах. По результатам исследований выделены две группы гибридов, различающихся по срокам начала и протекания отдельных этапов микроспорогенеза. К первой группе относятся гибриды с преобладанием морфофизиологических признаков катунского (Дебют, 5/87, 1/89 и 1/91), ко второй — прибалтийского (Геракл, 31/89, 1/90 и 5/93) экотипа. У гибридов из первой группы начало микроспорогенеза и образование тетрад микроспор происходят при более низких суммах положительных температур (соответственно 48,5-49,5 и 114,8-118,5 °С), чем у гибридов из второй группы (62,0-71,1 и 135,6-147,0 °С). При этом созревание пыльцы и цветение (пыление) мужских растений у изученных экотипов протекают практически одновременно при сумме положительных температур соответственно от 171,8 до 216,6 °С и от 276,3 до 343,9 °С.

Ключевые слова: облепиха крушиновидная, гибриды, микроспорогенез, сумма положительных температур.

Keywords: sea buckthorn, hybrids, microsporogenesis, sum of positive temperatures.

В процессе онтогенеза растительные организмы испытывают воздействие комплекса абиотических и биотических факторов, но часто один из них становится лимитирующим и настолько мощным, что другими можно пренебречь. Изучение влияния внешних факторов на репродуктивный процесс растений имеет важное значение для интродукции и селекции.

Облепиха крушиновидная (Шрроркаё rhamnoides L.) интродуциро-вана относительно недавно и представляет интерес как пищевое и лекарственное растение. Ее плоды содержат витамины C, Bi, B2, E, P, полиненасыщенные жирные кислоты, каротин и другие биологически активные соединения. H. rhamnoides используют как источник дубильных и красящих веществ, а также как противоэрозионную культуру. Ее природные популяции занимают большие площади на территории России и стран бывшего СССР. В границах ареала H. rhamnoides сформировались надежно изолированные и хорошо оформленные экотипы и более мелкие внутривидовые таксоны — климатипы (1-3), среди которых наибольшее значение в селекции мужских и женских растений получили прибалтийский и ка-тунский экотипы. Климатические (4-8) и эдафические условия произрастания (9, 10) у облепихи изучены достаточно подробно. Основной лимитирующий фактор в интродукции облепихи — температурный режим зимне-весеннего периода.

В работах М.А. Коровиной (11), В.В. Селехова (12), М.П. Смерти-на (13), посвященных изучению зимостойкости в условиях Нижегородской области, установлено, что к неблагоприятным условиям зимне-весеннего периода наиболее чувствительна мужская генеративная сфера. Однако данные о влиянии температурного режима на начальные этапы репродуктивного процесса у мужских растений облепихи крушиновидной в доступной научной литературе отсутствуют.

Известно, что развитие пыльников у Н. rhamnoides происходит в два этапа в течение двух вегетационных периодов. Первый этап (от архес-пориальной клетки до образования спорогенной ткани и стенки пыльника) протекает с конца июля по октябрь, второй (микроспорогенез и формирование пыльцевых зерен) — весной (14-16).

Цель нашей работы — установить зависимость между особенностями микроспорогенеза у мужских гибридов Hippophaё rhamnoides разного эколого-географического происхождения и температурным режимом в весенний период.

Методика. Исследования проводили в 2005-2007 годах на базе Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии (НГСХА). Объектами исследований были пыльники и мужские гаметофиты 8 перспективных селекционных гибридов Н. rhamnoides разного эколого-гео-графического происхождения селекции НГСХА, которые можно условно разделить на две группы (соответственно I и II) — с преобладанием морфофизиологических признаков катунского (Дебют, 5/87, 1/89, 1/91) и прибалтийского (Геракл, 31/89, 1/90, 5/93) экотипов. Всего в опыте проанализировали 40 мужских растений.

Пробы для цитологического анализа начинали отбирать после перехода среднедекадных температур через 0 °С из середины кроны (не менее 15 соцветий с каждого гибрида). Ежегодно осуществляли по 15-16 отборов в зависимости от года исследования. Особенности развития мужского гаметофита изучали по каждому ярусу соцветия (верхний, средний и нижний) отдельно. Этапы развития гаметофита определяли на давленых временных препаратах по общепринятой методике с окрашиванием ацетокармином (17, 18).

Результаты. Известно, что деление клеток в генеративных почках облепихи крушиновидной начинается при переходе среднесуточных температур через 0 °С (19). По данным В.Р. Кондорской (14), О.Б. Проскуриной (20), полученным в Ленинградской области, и И.А. Касимовской (21) — в Тамбовской области, этот период приходится на II декаду апреля. В литературе мы не обнаружили сведений о соответствии между этапами микроспорогенеза и значениями сумм положительных температур, хотя подобное установлено для распускания листьев, завязывания плодов и сроков их созревания.

Определение стадий развития мужского гаметофита у облепихи крушиновидной осложнено тем, что микроспорогенез в бутонах из разных частей соцветия протекает асинхронно. В нижних бутонах он начинался раньше, и это согласуется с данными литературы (14, 22). Стадии развития пыльников из разных частей одного соцветия не совпадали. Наиболее заметные различия отмечались на первых этапах микроспорогенеза. Вместе с тем пыление соцветия в целом происходило синхронно.

Как и у других цветковых растений (23), у Н. rhamnoides о стадии развития мужского гаметофита можно судить по размерам и окраске пыльников. При этом более четкие различия между изучаемыми группами гибридов проявлялись в период активного деления спорогенной ткани: строение пыльника оказалось идентичным у всех форм Н. rhamnoides, схема развития мужского гаметофита — единой, однако сроки начала этапов микроспорогенеза были разными (рис. 1, 2).

Согласно данным, полученным в 2005 году, в пробе, отобранной

11 апреля, обнаруживали лишь сформированный тапетум и спорогенную ткань. В единичных бутонах отмечалось незначительное увеличение клеток тапетума и начало цитокинеза. Первое деление мейоза в нижних бутонах происходило 13 апреля (см. рис. 1, 2), в верхних бутонах в это время

наблюдали только микроспороциты.

Рис. 1. Среднесуточные (1) и минимальные (2) температуры в весенний период по годам наблюдения: А — 2005, Б — 2006, В — 2007 год. Стрелками отмечено начало микроспорогенеза у гибридов облепихи (ШррорИаё гИатпо1ёе8 Ь.) с преобладанием морфофизиологических признаков катунского (I) и прибалтийского (II) экотипа (учебная база Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии).

В 2005 году не удалось установить различий между гибридами по времени начала мейоза, поскольку он проходил в сжатые сроки — с 13 по 18 апреля (см. рис. 2). Мы связы1ваем этот факт с интенсивным ростом положительной температуры (см. рис. 1). С 13 по 18 апреля она не опускалась ниже 1 °С, сумма положительных температур набиралась быстро и

составила 61,0 °С. Для обнаружения отличительных особенностей микро-спорогенеза требуется, как мы полагаем, более плавное увеличение положительных температур. Началу мейоза в 2005 году соответствовала сумма положительных температур, равная 64,0 °С.

2005 год

11.04 13 04 | 15 04 18.04 21.04

I 1 2 3 ——і——\ш\

II 1

2

3 и

2006 год

10.04 1 12.04 17.04 1 20.04 | 24.04

I 1 =

2

ШИШИ

3 1

II 1 І I —

2

3

2007 год

27.03 30.03 2.04 3.04 6.04

I 1

2

3

II 1

2

3 1 1

| | Клетки тапетума и спорогенной ткани

| Профаза I мейоза

Тетрады микроспор Л Тетрады и одноядерная пыльца

Профаза II и анафаза II мейоза Мейоз в микроспороцитах Мейоз и тетрады микроспор

Одноядерная пышьца Митоз в пышьцевом зерне Двуядерная пышьца

Рис. 2. Этапы микроспорогенеза у гибридов облепихи (ШррорНаё rhamnoides Ь.) с преобладанием морфофизиологических признаков катунского (I) и прибалтийского (II) экотипа по датам отбора проб: 1 — верхние, 2 — средние, 3 — нижние бутоны соцветия (учебная база Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии).

В 2006 году (см. рис. 1, 2) начало мейоза у гибридов из I группы (Дебют, 5/87, 1/89 и 1/91) происходило раньше (17 апреля), чем у гибридов из II группы (Геракл, 31/89, 1/90 и 5/93) (20 апреля). У форм с преобладанием морфофизиологических признаков катунского экотипа встречались единичные соцветия, в цветках нижнего яруса которых начало мейоза отмечали уже 12 апреля.

Плавный рост положительных температур, а также низкие положительные температуры в начале апреля и отрицательные температуры ночью 11 и 13 апреля 2006 года способствовали проявлению четких различий по срокам протекания этапов микроспорогенеза между гибридами разного эколого-географического происхождения (см. рис. 1). Сумма положительных температур с 17 по 20 апреля составила 37,7 °С. Начало мейоза в 2006 году у гибридов с преобладанием морфофизиологических признаков катунского экотипа отмечали при сумме положительных температур 48,5 °С, прибалтийского — 62,0 °С (см. рис. 1, 2).

Осенне-зимний период 2006-2007 годов характеризовался экстремальными погодными условиями (продолжительная теплая осень, зима с неустойчивым температурным режимом), которые привели к истощению и

гибели растений у гибридов Дебют, 1/90 и 5/93. Весной 2007 года средние декадные температуры превысили 0 °С очень рано. В целом положительные температуры росли постепенно, но в ночные часы отмечались значения ниже 0 °С. Образование микроспороцитов и первое деление мейоза у гибридов с преобладанием морфофизиологических признаков катунского экотипа происходили значительно раньше (30 марта), чем у растений с преобладанием прибалтийского экотипа (2 апреля) (см. рис. 1, 2). У первых мейоз начался при сумме положительных температур 84,0 °С, у вторых — 114,4 °С (см. рис. 1). Значительные различия в суммах положительных температур обусловлены, как мы полагаем, продолжительным понижением температур в ночные часы (17 марта, 26-29 марта и 1-2 апреля). Учитывая, что с 26 по 30 марта активная дифференциация тканей в пыльниках не наблюдалась, начало мейоза по группам соответствовало сумме положительных температур, равной 49,5 и 71,7 °С.

Можно предположить, что при спаде ночных температур до 0 °С и ниже в период подготовки спорогенной ткани и микроспороцитов к мейозу величина необходимой для его начала суммы положительных температур возрастает.

Образование тетрад микроспор во все годы исследования у гибридов Дебют, 5/87, 1/89 и 1/91 начиналось в более ранние сроки (18 апреля 2005 года, 20 апреля 2006 года и 3 апреля 2007 года) (см. рис. 2), чем у гибридов с преобладанием морфофизиологических признаков прибалтийского экотипа (21 апреля 2005 года, 24 апреля 2006 года и 6 апреля 2007 года). Начало образования тетрад у первых было отмечено при сумме положительных температур 114,8-118,5 °С, у вторых — 135,6-147,0 °С.

Формирование одноядерных пыльцевых зерен у всех исследуемых форм не зависело от эколого-географического происхождения и протекало примерно в одни и те же сроки, период распада тетрад на микроспоры и начала образования одноклеточной пыльцы был крайне скоротечен (см. рис. 2). Когда в нижних бутонах соцветия наблюдали стадию одноклеточных пыльцевых зерен, которые имели не полностью сформированную оболочку и цитоплазму, в верхних бутонах присутствовали лишь тетрады микроспор. Во все годы наблюдений у гибрида Дебют единичные зрелые дву-ядерные пыльцевые зерна обнаруживали в более ранние сроки, чем у остальных. В зрелом состоянии пыльцевые зерна находились в пыльниках до начала пыления. Мы установили, что зрелая двуядерная пыльца формировалась при сумме положительных температур от 171,8 до 216,6 °С. Пыльца у всех растений полностью созревала 3 мая 2005 года, 4 мая 2006 года и

12 апреля 2007 года (см. рис. 2).

Пыление начиналось практически одновременно и не зависело от эколого-географического происхождения родительских форм. Следует отметить, что во все годы исследований только у сорта Геракл пыление начиналось на 12-24 ч раньше, чем у остальных гибридов. В 2005-2006 годах пыление облепихи продолжалось 2-3-е сут, в 2007 году — 7-8 сут, что было связано, по нашему мнению, с понижением среднесуточных температур и увеличением влажности воздуха в период цветения мужских гибридов и согласуется с данными других авторов (12, 24). Пыление начиналось при сумме положительных температур 276,3-343,9 °С. Данные 2007 года представляют особый интерес, поскольку от созревания пыльцы до пыления прошло 20 сут.

Таким образом, у гибридов облепихи с преобладанием морфофизиологических признаков катунского экотипа начало микроспорогенеза и образование тетрад микроспор происходит при более низких суммах по-

ложительных температур (соответственно 48,5-49,5 и 114,8-118,5 °С), чем у гибридов с преобладанием морфофизиологических признаков прибалтийского экотипа (62,0-71,1 и 135,6-147,0 °С). Различий между гибридами по срокам пыления (цветения) не выявлено. Основные факторы, от которых зависит начало пыления, — это зрелость пыльцы облепихи и погодные условия в период цветения (температура и атмосферная влажность). Понижение температуры и увеличение влажности воздуха приводят к отсрочке пыления. На наш взгляд, практическое значение имеет поиск опылителей с более продолжительным (растянутым) пылением и отбор мужских гибридов облепихи с разными сроками начала цветения, что позволит эффективно проводить опыление женских растений и получать высокие урожаи.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Елисеев И.П. Некоторые соображения о систематике рода Hippophae L. Плодовые и ягодные культуры. Тр. Горьковского СХИ, 1974, т. 77: 60-72.

2. Rousi A. Evolutionary relationship and systematics in Hippophae. Proc. Int. Symp. on sea buckthorn (H. rhamnoides L.). P. Xian, China, 1989: 17-20.

3. Бессч ё тнов В.П., Кентбаев Е.Ж. Популяционная структура естественных насаждений облепихи в Казахстане. В сб. тр. Нижегородской ГСХА: Селекция, интродукция плодовых и ягодных культур. Нижний Новгород, 2003: 60-62.

4. Бородина Н.А. Полиплоидия в интродукции древесных растений. М., 1982: 56-57.

5. Корзинников Ю.С., Крымская Н.Б., Гачечиладзе Н.Д. Особенности биологии и морфологии облепихи Западного Памира. В сб. науч. тр.: Биология, химия и фармакология облепихи. Новосибирск, 1983: 19-24.

6. Игошина В.Г., Елисеев И.П., Трушечкин В.Г., Гоголева Г.А. Зимостойкость сеянцев облепихи разных эколого-географических групп в условиях Нечерноземной зоны. В сб. науч. тр. ГСХИ: Биологические аспекты интродукции, селекции и агротехники облепихи. Горький, 1985: 100-105.

7. Авдеев В.И. К истории рода Hippophae L. В сб. науч. тр.: Биология, селекция и агротехника плодовых и ягодных культур. Нижний Новгород, 1991: 18-22.

8. Созонова Л.И. Плод облепихи. В кн: Закономерности развития и строения в связи с накоплением масла. Нижний Новгород, 1991.

9. Бессч ё тнов В.П. Селекционная оценка облепиховых зарослей. Вестник с.-х. науки Казахстана, 1975, 4: 93-96.

10. Елисеев И.П. Онтогенез и продолжительность жизни особей Hippophae rhamnoides L. в культуре. В сб.: Биологические основы повышения продуктивности и охраны лесных, луговых и водных фитоценозов. Горький, 1975, вып. 4: 3-11.

11. Коровина М.А. Роль абиотических факторов в интродукции облепихи крушиновой (Hippophae rhamnoides L.). Автореф. канд. дис. Нижний Новгород, 2000.

12. Селехов В.В. Селекционно-биологическая оценка мужских форм облепихи. Автореф. кад. дис. Брянск, 2000.

13. С м е р т и н М.П. Селекционный потенциал зимостойкости сортов и гибридов облепихи крушиновидной (Hippophae rhamnoides L.). Автореф. канд. дис. Брянск, 2006.

14. Кондорская В.Р. Морфология тычиночного цветка и развитие мужского гаметофита облепихи. Науч. докл. высшей школы. Биол. науки, 1967, 4: 69-75.

15. Кондорская В.Р. Анатомо-морфологическое исследование облепихи (Hippophae rhamnoides L.). Автореф. канд. дис. М., 1973.

16. Камелина О.П., Проскурина О.Б. Семейство Elaeagnaceae. Сравнительная эмбриология цветковых растений. Davidiaceae—Asteraceae. Л., 1987: 105-110.

17. П а у ш е в а З.П. Практикум по цитологии растений. М., 1988.

18. Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятов А.Г., Джалилова Х.Х., Ильина Г.М., Чубатова Н.В. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. М., 2004.

19. Фаустов В.В. Особенности цветения и плодоношения облепихи крушиновидной. Известия ТСХА, 1975, вып. 3: 137-146.

20. Проскурина О.Б. Эмбриология семейства Elaeagnaceae. Автореф. канд. дис. Л., 1990.

21. Касимовская И.А. Оценка сортов облепихи в условиях Центрально-черноземного региона. Автореф. канд. дис. Мичуринск, 2004.

22. Ильина Н.А. Развитие цветочных почек у облепихи в условиях Челябинска. В сб. науч. тр.: Физиология, экология и агротехника садовых культур. Новосибирск, 1985: 107-115.

23. Scott R., Hodge R., Paul W., Draper J. The molecular biology of anther differentiation. Plant Sci., 1991, 80: 167-191.

24. Фефелов В.А. Особенности цветения и оплодотворения облепихи крушиновидной. В

сб. науч. ст.: Актуальные проблемы лесного хозяйства Нижегородского Поволжья и пути их решения. Нижний Новгород, 2005: 224-228.

1ФГБОУ ВПО Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия,

603107 г. Нижний Новгород, просп. Гагарина, 97, e-mail: Lapshin-da@yandex.ru;

2Филиал ФГУ Рослесозащита — Центр защиты леса Нижегородской области,

603034 г. Нижний Новгород, ул. Тельмана, 5

MICROSPOROGENESIS AND DEVELOPMENT OF POLLEN GRAIN IN HYBRIDS OF SEA BUCKTHORN (Hippophae rhamnoides L.) OF VARIOUS

ECOGEOGRAPHIC ORIGIN

T.N. Kuznetsova1, D.A. Lapshin2 S u m m a r y

Hippophae rhamnoides L. is of interest as feed and medicinal plant. Its fruits contain the C, B1, B2, E, P vitamins, polyunsaturated fatty acids, carotene, other biologically active compounds. The temperature conditions during winter-spring period is main limiting factor in sea-buckthorn introduction, and the male generative sphere is the most sensitive to unfavorable conditions. The authors investigated a microsporogenesis in Hippophae rhamnoides L. hybrids of various ecologo-geographic origin of Nizhny Novgorod State Agricultural Academy breeding. The stage of male ga-metophyte development was determined on squash temporary preparation. As result of analysis the two groups of hybrids were revealed, which differ on the time of beginning and a course of the definite stages of microsporogenesis. The first group involves the hybrids with prevalence of morphophysiologi-cal determinants of Katunskii ecotype (Debyut, 5/87, 1/89 and 1/91), the second one — with prevalence of morphophysiological determinants of Baltic ecotype (Gerakl, 31/89, 1/90 and 5/93). In hybrids of the first group the beginning of microsporogenesis and the formation of microspore tetrads occur at the low sum of positive temperatures (respectively, 48.5-49.5 and 114.8-118.5 °С) than in hybrids from second group (62.0-71.1 and 135.6-147.0 °С). However, the maturation of pollen and blossoming (an-thesis) of male plants in studying ecotypes pass practically at the same time, at the sum of positive temperatures from 171.8 to 216.6 °С and from 276.3 to 343.9 °С, respectively.

Поступила в редакцию 22 ноября 2010 года

Научные собрания

X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «БИОЛОГИЯ КЛЕТОК РАСТЕНИЙ in vitro И БИОТЕХНОЛОГИЯ»

Основные тематические направления:

❖ Молекулярно-биологические, генетические, биохимические, цитологические, физиологические особенности культур клеток растений

❖ Регуляция морфогенеза растительных клеток in vitro

❖ Культивируемые клетки растений как модель для изучения механизмов фундаментальных клеточных процессов

❖ Генетически трансформированные клетки, изолированные органы и растения

❖ Коллекции культур клеток и тканей растений и методы сохранения генофонда

❖ Использование культур клеток растений в промышленной биотехнологии

❖ Использование культур клеток растений в сельскохозяйственной биотехнологии

Контакты и информация: http://www.kibb.knc.ru/Kazan2013/index, invitro2013@gmail.com

Новые книги

Игнатьева И.П., Ан д р е е в а И.И. Метаморфозы вегетативных органов покрытосеменных. М.: изд-во «КолосС», 2008, 348 с.

Рассмотрены метаморфозы вегетативных органов растений влажных тропиков (деревьев дождевых тропических лесов, пресноводных болот и мангров, де-ревьев-удушителей, эпифитов, насекомоядных растений) и аридных областей (ксе-

рофитов, суккулентов, галосуккулентов, эфемеров-геофитов и эфемеров-терофитов). Среди описанных много сельскохозяйственных и цветочных культур: картофель, морковь и другие корнеплоды, тыквенные, виноград, гладиолус, ирис, лилии и др. Биоморфологическая характеристика дается в связи с жизненными формами, экологическими факторами и географией, что составляет важнейшую особенность работы.