Введение к работе
Актуальность проблемы.
Многие косточковые растения имеют большое практическое значение. В настоящее время длительно культивируемые растения вишни и черешни в ряде регионов выводятся из сельскохозяйственного производства в связи с гибелью их насаждений. Разработка теоретических основ размножения растений, выявление пластичности систем репродукции являются залогом успеха новых нестандартных технологий в генетике, селекции и семеноводстве (Батыгина, 1974, 1987; Кордюм, 1978; Boesewinkel, Bouman, 1984; Терехин, 1996, и др.). В связи с практической необходимостью получения более продуктивных форм, к которым относятся косточковые растения, важно выявить причины, вызывающие нарушения в протекании репродуктивных процессов и приводящие к снижению семенной продуктивности.
Сем. Rosaceae включает от 110 до 115 родов и более 3500 видов. Система розоцветных перестраивается, ранги семейства постоянно меняются. Существуют разные мнения о систематическом положении видов вишни, черешни и миндаля, относящихся к подсем. Prunoideae (Камелин, 2006), или Amygdaloideae (Takhtajan, 1997). В качестве диагностических признаков могут использоваться особенности процессов формирования и развития генеративной сферы у растений, а также основные параметры, определяющие репродуктивный успех. Кроме того, перспективными могут быть результаты антэкологических исследований (системы опыления и системы скрещивания, качество пыльцы и восприимчивость к ней рыльца пестика).
В последние десятилетия проблема изучения действия экологических факторов на растительные организмы становится все более актуальной. Стрессовое состояние растений приводит к функциональным расстройствам и нарушениям генеративных процессов. Оценить в полной мере значимость внутренних (особенности строения и функционирования семязачатка и семени) и внешних факторов в реализации программы развития зародышевого мешка и зародыша можно лишь в условиях эксперимента. Для управления отдельными этапами онтогенеза растений необходимы теоретические разработки, которые могут быть успешно выполнены только после изучения критических периодов морфогенеза (Batygina, Vasilyeva, 2003; Шамров, 2008). При изучении мутантов Arabidopsis thaliana было показано, что остановка в развитии семян происходит именно во время критических стадий эмбриогенеза (Meinke, 1985, 1986, 1991; Health et al., 1986; Franzmann et al., 1989). Под действием различных стрессовых факторов (избыток или недостаток влаги, крайне высокая или слишком низкая температура окружающей среды) во время мейоза и цветения происходят структурные и физиологические нарушения, оказывающие сильное влияние на формирование гамет и последующее развитие зародыша и эндосперма (Сказкин, 1971; Спицын, 1994; Saini, Lalonde, 1998; Saini, Westgate, 2000).
Таким образом, изучение процессов, определяющих основные параметры биологии размножения, поможет в решении многих проблем практической селекции. Это направление исследований приобретает особую актуальность в связи с выявлением механизмов воздействия внешних неблагоприятных факторов на репродуктивные структуры и в аспекте общей проблемы сохранения биологического разнообразия.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы – изучение эмбриологии, репродуктивной биологии и семенной продуктивности и влияния на них некоторых экологических факторов для разработки общих принципов биологии размножения при проведении селекционной работы и создании перспективных форм у представителей родов Cerasus, Microcerasus и Amygdalus. Исходя из этого, определены следующие задачи исследования:
-
Изучить строение цветка в динамике, определить суточную ритмику цветения и провести сравнительное изучение процессов формирования и развития мужских и женских генеративных органов для выявления основных параметров репродуктивной биологии и диагностических черт у Cerasus fruticosa, C. vulgaris, C. avium, Microcerasus tomentosa и Amygdalus nana.
-
Изучить у них этапы формирования андроцея, пыльника, гинецея, семязачатка и семени и провести сравнительный анатомо-морфологический анализ структур семени для оценки роли эмбриологических процессов в биологии размножения.
-
Выявить системы скрещивания, определить семенную продуктивность, жизнеспособность семян, а также разработать некоторые эффективные технологии вегетативного размножения у представителей, взятых для исследования.
-
Оценить эффективность репродукционных процессов у растений изученных видов под влиянием некоторых эндогенных и экзогенных факторов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Cerasus fruticosa, C. vulgaris, C. avium, Microcerasus tomentosa и Amygdalus nana характеризуются единой последовательностью заложения частей цветка, чертами сходства в строении и развития андроцея, гинецея, пыльника, семязачатка и семени. Различия, выявленные между ними, могут быть использованы в качестве таксономических диагностических признаков.
-
Изученные виды характеризуются разными системами скрещивания и показателями потенциальной семенной продуктивности, но имеют одинаковые структурные характеристики плодов и семян, сроки стратификации семян и состав почвенного субстрата. Величина реальной семенной продуктивности, количество полноценных семян и их всхожесть при пересчете на растение являются достаточно высокими.
-
На эффективность репродукционных процессов растений Cerasus fruticosa, C. vulgaris, C. avium, Microcerasus tomentosa и Amygdalus nana влияют эндогенные (генетическое происхождение растений, местоположение цветка в кроне растения) и экзогенные (вода, температура, облучение, УНМ «Таунит») факторы. Различия между видами наиболее четко проявляются после воздействия на растения комплекса разных факторов.
-
В биологии размножения косточковых растений важную роль играет вегетативный способ репродукции. На примере Cerasus vulgaris создана оригинальная биотехнология, позволяющая повысить эффективность микроразмножения путем использования черенков для прививки из верхнего и среднего ярусов кроны дерева (особенно во время летней прививки), а также обработки ультразвуком.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые дана подробная характеристика процессов (от заложения почек возобновления до формирования семян и новых растений), охватывающих основные этапы репродукции видов Cerasus vulgaris, C. avium, C. fruticosa, Microcerasus tomentosa, Amygdalus nana. Их репродуктивная стратегия включает половой и бесполый способы репродукции. Реализация семенного пути развития обеспечивается такими особенностями биологии размножения как: нормальное прохождение процессов в семязачатке и пыльнике, способность к автогамии у Cerasus fruticosa и Microcerasus tomentosa и к аллогамии у C. vulgaris, C. avium и Amygdalus nana, высокая потенциальная семенная продуктивность, обеспечивающая образование значительного количества полноценных семян.
С использованием комплекса различных методов дана оценка эффективности репродукционных процессов растений у изученных видов, на которые влияют не только эндогенные (генетическое происхождение растений, местоположение цветка в кроне растения), но и экзогенные (вода, температура) факторы. Созданы оригинальные технологические подходы, позволяющие повысить жизнеспособность пыльцы (УФ-облучение), прорастание семян (увеличение сроков стратификации до 210 дней) и оптимизировать вегетативное размножение у Cerasus vulgaris (обработка ультразвуком черенков из верхнего и среднего ярусов кроны дерева). Выявленные радикалы биологии размножения позволяют подойти к управлению определенными этапами репродукции как дикорастущих, так и культивируемых косточковых растений.
Сходство по антэкологическим, цитогенетическим и эмбриологическим характеристикам подтверждает близкое филогенетическое родство видов Cerasus fruticosa, C. vulgaris, C. avium, Microcerasus tomentosa и Amygdalus nana. Особенности, характеризующие процессы формирования и развития цветка (форма гипантия, размеры и цвет околоцветника, характер края зубцов и угол их отгиба в чашечке), андроцея (число тычинок и длина тычиночных нитей), пыльника (число рядов клеток сформированной стенки пыльника, характер и частота типичных и нетипичных нарушений в мейозе), гинецея (размеры ножки и расположение фертильного плодолистика), семязачатка (соотношение высоты и ширины семязачатков, форма и размеры клеток постамента и подиума) и семени (его форма и масса, соотношение размеров семени, длины зародыша и эндосперма), могут быть использованы в качестве диагностических признаков при характеристике видов.
Практическая значимость работы. Результаты сравнительного анализа фертильности пыльцы и системы скрещивания разных видов могут иметь практическое значение при выборе растений-опылителей в генетико-селекционной работе.
Данные по влиянию экологических факторов на прохождение репродукционных процессов, выявленные причины абортивности и поиск способов предотвращения опадения завязи путем регулирования условий выращивания позволяют подойти к управлению некоторыми этапами онтогенеза, решению вопросов разработки агротехнических приемов возделывания и повышения урожайности изученных видов. Полученные результаты по определению сроков и среды стратификации семян необходимо учитывать при оптимизации семенного размножения растений в генетико-селекционной работе.
Выработанная методика повышения интенсивности каллусообразования из изолированных тканей растений ультразвуком является новым направлением в биотехнологии плодовых, ягодных и декоративных растений, которое может повысить эффективность селекционной работы.
Апробация работы. Материалы, содержащиеся в диссертационной работе, были представлены на около 40 научных вузовских, региональных, общероссийских и международных конференциях: на ежегодных научных конференциях в Тамбовском государственном университете им. Г.Р. Державина «Державинские чтения» (1996-2010гг), на международных конференциях «17, 18, 20 Мичуринские чтения» (г. Мичуринск, 1997, 1998, 2000), III, IV и V региональной научно-технической конференции «Вопросы региональной экологии» (Тамбов, 1998, 2000, 2002), международной научно-практической конференции молодых ученых «Интенсивное садоводство» (Мичуринск, 2000), VIII международном семинаре-совещании «Фитофизиология: перспективные исследования, связь с другими науками» (Тамбов, 2001), международной научной конференции «Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты» (Сыктывкар, 2002), международной конференции по отдаленной гибридизации (Москва, 2003), VIII и IX международных научных конференций по морфологии растений, посвященных памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (Москва, 2004, 2009), VII всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в экологическом образовании, пути, формы и методы их реализации» (Тобольск, 2003), VIII молодежной научной конференции ботаников в С.-Петербурге (2004), научно-практической конференции «Физиологические аспекты продуктивности растений» (Орел, 2004), I международной экологической конференции «Роль экологического пространства в обеспечении функционирования живых систем» (Елец, 2005), международной научно-практической конференции «Новации и эффективность производственных процессов в садоводстве» (Краснодар, 2005), международной научно-практической конференции «Проблемы биологии, экологии и образования: история и современность» (С.-Петербург, 2006), I (X) международной конференции молодых ботаников в С.-Петербурге (2006), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы научной, обучающей и просветительской деятельности в биологических центрах вузов и хозяйствах зоопаркового типа» (Тамбов, 2007), международной конференции, посвященной памяти Левиной «Современные проблемы морфологии и репродуктивной биологии семенных растений» (Ульяновск, 2008), международной научно-практической конференции «Проблемы биоэкологии и пути их решения» (II Ржавитинские чтения) (Саранск, 2008), XII съезде русского ботанического общества «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века» (Петрозаводск, 2008), II международной научной конференции «Разнообразие почв и биоты Северной и Центральной Азии» (Улан-Уде, 2011). Результаты исследований докладывались автором лично на 20 конференциях.
Полученные в работе результаты использованы в программах по повышению процента завязываемости семян и оптимизации технологических процессов выращивания косточковых плодовых растений в ОАО «Дубовое» Тамбовской области, Экологическом научно-образовательном центре ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина».
Разработанная методика «Способ повышения интенсивности каллусообразования из изолированных тканей растений ультразвуком» была отправлена в Федеральный институт промышленной собственности г. Москвы 10 ноября 2010г для получения патента на изобретение (авторы Папихин Р.В., Муратова С.А., Яндовка Л.Ф.).
Выявленные особенности репродуктивного цикла, материалы цито-эмбриологических исследований Cerasus fruticosa, C. vulgaris, C. avium, Microcerasus tomentosa и Amygdalus nana использованы при чтении лекций и составлении методических рекомендаций к практическим занятиям по дисциплинам «Анатомия и морфология растений» и «Систематика растений» для студентов 1 и 2 курсов отделения «Биология» Института естествознания Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина, лекций для иностранных студентов (англоязычных и франкоязычных) по дисциплине «Биология с экологией» в Медицинском институте Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина.
Публикации. Материалы исследования представлены в 75 опубликованных работах, из них 1 монография, 22 статьи в журналах из перечня ВАК, 10 статей в тематических сборниках научных трудов, 27 статей и 11 тезисов в сборниках материалов международных конференций, Всероссийских съездов, научных и научно-практических конференций. Доля участия в совместных публикациях составляет от 50 до 80 %.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, списка литературы (838 наименований, в том числе 306 на иностранных языках) и приложения. Работа изложена на 414 страницах, включает 31 таблицу и 41 рисунок.
