Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Цитологические, эмбриологические и физиологические исследования растений видов рода Cerasus 9
1.1. Этапы в развитии генеративных органов плодовых растений 9
1.2. Проблемы цитогенетики косточковых плодовых культур 12
1.3. Понятие стресса 33
1.4. Водный обмен и метаболизм растений в зависимости от уровня влагообеспеченности 37
Глава II. Объекты и методы исследований 43
2.1. Природно-климатическая характеристика района исследования 43
2.2. Систематическая характеристика объектов 44
2.3. Методы исследований 53
Глава III. Морфо-биологические, физиологические, генетические и эмбриологические исследования Cerasus vulgaris Mill и С. tomentosa (Thunb.) Wall в связи с водным режимом 61
3.1. Анатомические и физиологические характеристики листьев 61
3.2. Мужская генеративная сфера. Микроспорогенез 64
3.2.1. Процесс мейоза при микроспорогенезе 70
3.2.2. Цитомиксис 106
3.2.3. Особенности развития пыльцы 113
3.3. Женская генеративная сфера 123
3.3.1. Развитие женского гаметофита; эмбриогенез 123
3.3.2. Качество семян 138
Глава IV. Хозяйственное значение регулируемого водообеспечения ... 147
4.1. Урожайность и экономическая эффективность регулируемого водообеспечения Cerasus vulgaris Mill и С. tomentosa (Thunb.) Wall в период формирования зародыша, семян и плодов 147
4.2. Практические рекомендации для селекции и производства 150
Заключение 152
Выводы 155
Литература 158
Приложения 207
- Проблемы цитогенетики косточковых плодовых культур
- Систематическая характеристика объектов
- Мужская генеративная сфера. Микроспорогенез
- Практические рекомендации для селекции и производства
Проблемы цитогенетики косточковых плодовых культур
И.С.Руденко (1982) отмечает, что сложная генетическая конституция косточковых культур весьма затрудняет генетический анализ характера наследования, делает практически возможным проводить предварительный расчет вероятности осуществления желательных комбинаций признаков у гибридов. Автор отмечает слабость разработки цитогенетики вишни. В связи с этим селекционеры не могут в полной мере использовать законы цитогенетики применительно к вишне, как это происходит при создании сортов однолетних зерновых и овощных растений.
В литературе имеются детальные работы по различным аспектам изучения процесса мейоза при микроспорогенезе. Одними из первых в изучение этого вопроса у косточковых культур внесли значительный вклад зарубежные (Darlington, Lindenbein, 1929) и отечественные ученые (Рыбин, 1927). Впоследствии эти вопросы развивали Д.Ф.Петров и Т.П.Философова (1937).
И.И.Голубовская (1982) считает, что проблема генетической регуляции мейоза, поставленная в 30-х годах XX века в работах наших соотечественников (Сапегина, 1932; Соколова, 1934) и английского цитогенетика К.Д.Дарлингтона (1929), к 70-м годам приобрела новое звучание. К настоящему времени доказано, что мейоз - сложный онтогенетический процесс. Найдены гены, запускающие мейоз; гены, автономно регулирующие I и II деления мейоза (Спицын, 1994).
Детальное описание процесса мейоза изложено в работах многих авторов (Hotta, Stern, 1971, 1981, 1984; Хвостова, Богданов, 1975; Голубовская, 1985; Жученко, Король, 1985; Альберте и др., 1987). Мак-Клинток (Мс. Clintock, 1931) впервые обнаружил, что все имеющиеся типы перестроек хромосом (нехватки, дупликации, инверсии, транслокации) могут быть выявлены на стадии пахитены. Автором были найдены указанные типы перестроек, связанные с особенностями конъюгации хромосом. Особенности состоят в том, что в профазе мейоза хромосомы конъюгируют гомологичными локусами.
Морфологичекие типы нарушений мейоза у растений вишни проявляют в большинстве случаев определенный параллелизм; различается лишь их частота (Седышева и др., 1999). В.В.Хвостова, Ю.Ф.Богданов (1975) считают, что любое нарушение в конъюгации гомологичных хромосом связано с появлением унивалентов. Авторы отмечают, что в Ml униваленты могут не встраиваться в экваториальную пластинку и располагаться по всему веретену деления. На стадии Ml мейоза наиболее удобен подсчет чисел хромосом растений. Методика подсчета довольно хорошо изложена К.Д.Дарлингтоном и А.П.Вили (Darlington, Wilie, 1961); в настоящее время модифицирована рядом авторов (Рыбин, 1967; Топильская и др., 1975; Лучникова и др., 1978). В AI обычно униваленты случайно распределяются, попадают в какое-либо дочернее ядро, впоследствии участвуют во П-м редукционном делении (Хвостова, Богданов, 1975). При этом возможны случаи отставания хромосом и не включения их в дочерние ядра; результатом является образование микроядер из одной или нескольких хромосом. Во П-м делении мейоза, как отмечают авторы, в МП могут наблюдаться хромосомы, не лежащие в экваториальной пластинке. В АН может иметь место задержка хромосом на экваторе. Следующее за этим нарушение в тетрагенезе - появление микроядер.
Систематическая характеристика объектов
Вишня относится к косточковым плодовым культурам, входящим в семейство Rosaceae Juss. Род вишни (Cerasus Hill) состоит из более 150 видов. Род вишня делится на два подрода (Жуков, 1988): I Подрод вишни типичные (Typocerasus Koehne), состоящий из трех секций: 1) настоящие, 2) магалебские, 3) ненастоящие. Среди растений этого подрода наибольшее значение для селекции имеют виды: а) вишня обыкновенная (2n=2x=32) - Cerasus vulgaris Mill; б) вишня степная (2п=2х=32) - Cerasus fruticosa Pall; в) черешня (2n=2x=16) - Cerasus avium Moench; г) вишня пенсильванская (2n=2x=16) - Cerasus pensilvanica Lois; д) вишня магалебская (2n=2x=16) - Cerasus mahalebica. II Подрод микровишни (Microcerasus Webb), включающий две секции: 1) миндалевишни, 2) спиреевидные. Для селекции имеют интерес следующие виды микровишен: а) вишня войлочная (2n=2x=16) - Cerasus tomentosa (Thunb.) Wall; б) вишня бессея (2n=2x=:16) - Cerasus besseui (Ball) Lunell; в) вишня низкая (2n=2x=16) - Cerasus pumila (L.) Michx. Наибольшее значение из всех перечисленных имеют виды: вишня обыкновенная, черешня, вишня степная, вишня войлочная и др. Нами изучена генетика, цитология и эмбриология вишни войлочной (подрод микровишни; секция миндалевишни); вишни обыкновенной (подрод типичные; секция настоящие вишни) и ее сортов: Любская, Владимирская, Жуковская; а также гибриды селекции О.С.Жукова (ВНИИГиСПР им.И.В.Мичурина) - вишневый Интенсивная; вишне-черемуховый Харитоновская; вишне-черешневый Чародейка. Ниже приводится характеристика вишни войлочной и сортов вишни обыкновенной, полученных в результате народной селекции или селекционерами более 70 лет назад - Любская, Владимирская, Жуковская («старые» сорта), а также полученных в результате гибридизации в последние десятилетия - Харитоновская, Интенсивная, Чародейка («новые» сорта). Данные характеристики важны для понимания чувствительности и устойчивости изучаемых сортов к влиянию экологических факторов. Cerasus vulgaris Mill Любская (Любка) (2п=2х=32). Старинный сорт народной селекции. Зона промышленного возделывания: Россия - Северо-Кавказский, Поволжский, Центрально-Черноземный, Центральный, Волго-Вятский, Северо-Западный, Уральский, Дальневосточный районы, Калининградская обл.; Украина; Беларусь; Казахстан; Литва; Киргизстан. Среднерослое дерево (2-2,5м). Крона широкораскидистая. По характеру роста и плодоношения - типичная кустовидная вишня. Начинает плодоносить на 2-4 год. Размер листа средний. Зимостойкость дерева средняя (2,5 балла), на штамбе и основных сучьях часто возникают морозобоины и "ожоги" вследствие подмерзания коры и древесины. Цветочные почки высокозимостойкие, по этому свойству превосходят другие сорта. К недостаткам сорта следует отнести его сильную поражаемость коккомикозом (3,0 балла). Быстрое старение и отмирание деревьев, дающих высокие урожаи лишь до 10-12-летнего возраста. Цветение позднее. Плодоносит преимущественно на однолетних приростах. Плоды крупные (4,2г), округло-сердцевидной формы, темно-красного цвета. Окраска мякоти и сока темно-красная. Мякоть плотная. Вкус плода посредственный (3,5 балла), кислый. Косточка большая (0,32г), доля ее в массе плода большая (7,6%). Плоды созревают поздно, одновременно. Плодоножка средней длины, ее отрыв от плода сухой. Урожайность высокая (3,8 балла) - 6 кг с дерева. Сорт высокосамоплодный, предназначен для технического использования. Владимирская (Родителева, Вязниковская) (2п=2х=32). Сорт народной селекции, привезенный из Киевской Руси во Владимир. Зона промышленного возделывания: Россия - Волго-Вятский, Поволжский, Центрально-Черноземный, Северо-Западный, Уральский, Дальневосточный районы; Казахстан; Грузия. Деревья средней силы роста (3-3,5м); округлая, густая крона, с возрастом пониклая. Побеги средней толщины, без опушения, буро-зеленые. Листья средних размеров, удлиненно-яйцевидной формы. Край листа городчатый. Плодоносит сорт в основном за счет боковых почек прошлогодних приростов. В пору плодоношения вступает на 3-4 год. Плоды созревают неодновременно. Зимостойкость древесины высокая, цветочные почки устойчивы к низким температурам. Урожайность высокая - 48-60 ц/га (7,7 кг с дерева). Плоды ниже среднего размера (2,3-2,8г), плоско-округлой формы, темно-красные, почти черные, с интенсивно окрашенным соком. Мякоть плотная, темно-красная, кисловато-сладкого, хорошего вкуса (4,6 балла). Размер косточки малый (0,2г). Доля косточки в массе плода большая (7,1%). Отрыв плодоножки от плода сухой. Плоды среднего срока созревания (1-я половина июля). Устойчивость к коккомикозу слабая (2,8 балла). Сорт самобесплодный, универсального назначения.
Мужская генеративная сфера. Микроспорогенез
Совокупность тычинок цветка составляет андроцей. Тычинка состоит из тычиночной нити и расположенного в ее верхней части пыльника. Тычинки появляются на цветоложе в виде обособленных бугорков. Их клетки интенсивно делятся и, разрастаясь, принимают 4-х-лопастную форму. Из каждой лопасти дифференцируется гнездо пыльника. По мере развития лопастей образуются тяжи первичной археспориальной ткани. В результате периклинального деления археспориальных клеток образуются 2 слоя: наружный и внутренний. Из наружного (первичного париетального) формируются два слоя: наружный (субэпидермальный средний), дифференцирующийся в эндотеций, и внутренний (вторичный париетальный), клетки которого делятся с образованием внутреннего среднего слоя и тапетума. Ход дифференциации слоев происходит в центростремительной последовательности. Клетки внутреннего слоя, образующегося в результате деления археспориальных клеток, становятся материнскими клетками микроспор.
Клетки тапетума разрастаются. Микроспороциты и микроспоры оказываются между ними. Тапетальные клетки наблюдали на всех стадиях мейоза материнских клеток микроспор - вплоть до образования тетрад и микроспор (рис. 3.1). Установлено, что в одно время с мейотическим делением в материнских клетках пыльцы начинает постепеннно происходить разрушение клеток тапетума. К моменту образования тетрад микроспор разрушается значительное количество клеток тапетума, а ко времени образования одноядерных микроспор его клетки почти полностью используются растущими пыльцевыми зернами. На основе анализа поведения клеток было установлено, что тип тапетума у в.обыкновенной и в.войлочной - клеточный (секреторный, Tse), без реорганизации. Следует отметить, что клетки тапетума гибридных форм, особенно - отдаленных гибридов в.обыкновенной (сорт Харитоновская) отличаются более крупными размерами, а также резко выраженными процессами накопления ядерного вещества. Большинство ядер клеток тапетума делятся без цитокинеза. В результате образуются многоядерные клетки.
Материнские клетки микроспор в результате I и II делений мейоза образуют тетрады, распадающиеся на микроспоры. Образование тетрад происходит одновременно (симультанно, TrSi). Тип образования тетрад -тетраэдральный. Нарушения хода мейоза материнских клеток микроспор приводят, как правило, к образованию не 4-х микроспор, а их большего (полиспория) или меньшего количества, что способствует формированию нежизнеспособной пыльцы.
После двух последовательных мейотических делений и образования микроспор начинается развитие мужского гаметофита - пыльцевого зерна. Тип развития пыльцевых зерен - нормальный (Рп). Микроспоры сильно увеличиваются в объеме. Ядро микроспоры делится. Первое митотическое деление заканчивается образованием двух клеток: вегетативной и генеративной (рис. 3.2). Вегетативная клетка впоследствии занимает почти все пространство внутри пыльцевого зерна; является источником питательных веществ для генеративной клетки; осуществляет регуляторные функции. Второе митотическое деление, происходящее в генеративной клетке, приводит к образованию двух спермиев. Таким образом, пыльца у растений Cerasus vulgaris Mill и С. tomentosa (Thunb.) Wall - 3-х-клеточная (P/3).
Практические рекомендации для селекции и производства
Эти генотипы (из числа всех взятых в эксперимент) являются наиболее устойчивыми к водному стрессу (Прил. 3, табл. 7). Оценивая в целом урожайность растений при различном водном режиме, следует отметить, что в условиях водного стресса оценка продуктивности растений с одного дерева в ряде случаев количественно не совпадает с оценкой плодов с одного учетного побега. Снижение общего урожая с одного дерева выражено более значительно, чем снижение массы плодов с учетного побега. Это объясняется разным количеством плодоносящих побегов на деревьях с разных фонов водообеспечения. У растений, произрастающих в условиях почвенной засухи, плодоносящих побегов меньше, чем у растений в контроле (с учетом урожайных и неурожайных лет). На основе полученных результатов по урожайности растений Cerasus vulgaris Mill и С. tomentosa (Thunb.) Wall и данных, предоставленных Тамбовским областным статуправлением, Тамбовским областным управлением сельского хозяйства, промышленным производством (совхоз "Дубовое" Петровского района, Жердевский плодопитомник; Тамбовская область), проведен анализ экономической эффективности регулируемого водообеспечения растений в период формирования зародышей, семян и плодов. При схеме посадки 2x4 (между рядами 2 м, между деревьями - 4 м) на одном гектаре площади размещается 216 растений. Площадь питания одного растения - 8 м 2. С учетом расхода воды - 100 литров на одно дерево за один полив были рассчитаны материальные затраты, необходимые для поддержания оптимального водообеспечения одного гектара сада. В связи с наличием 6 критических этапов семя- и плодообразования у растений рода Cerasus (Спицын, 1994, Спицын, Яндовка, 1996) мы рекомендуем 12 обильных поливов растений вишни за вегетационный период. Затраты на полив одного гектара за весну-лето составляют 19312 рублей (Прил. 3, табл. 8). Из таблицы 8 (Прил. 3) и рис. 4 Прил. 4) следует, что наибольший экономический эффект от полива наблюдается у сортов в.обыкновенной в следующей последовательности: Чародейка Жуковская Любская Владимирская. Вишня войлочная и гибриды в. обыкновенной - Интенсивная, Харитоновская имеют низкий процент рентабельности полива. Следовательно, эти сорта более устойчивы к воздействиям окружающей среды по проявлению фенотипического признака - "урожайность". Наблюдения за урожайностью видов Cerasus vulgaris Mill и С tomentosa (Thunb.) Wall показали ее неоднотипность у исследуемых растений. Из числа изученных контрольных растений наиболее урожайны гибридные сорта в.обыкновенной - Харитоновская и Чародейка.
В условиях почвенной засухи наблюдается снижение урожая у исследуемых видов. Особенно оно выражено у сортов в.обыкновенной: Владимирская, Жуковская, Интенсивная. Снижение урожая при действии почвенной засухи является показателем генотипической устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. Устойчивые к водному стрессу генотипы не дают существенных потерь урожая. Такие генотипы имеют: вишня войлочная и сорта в.обыкновенной - Харитоновская, Чародейка. Растения, произрастающие при оптимальном водообеспечении, образуют больше плодоносящих побегов, чем неполиваемые. В условиях водного стресса оценка продуктивности растений с одного дерева в ряде случаев количественно не совпадает с оценкой плодов с одного учетного побега. Снижение общего урожая с одного дерева выражено более значительно, чем снижение массы плодов с учетного побега. Показатель рентабельности полива у в.обыкновенной и в.войлочной неодинаков. Наибольший экономический эффект от полива наблюдается у сортов в.обыкновенной: Чародейка, Жуковская, Любская, Владимирская. 1. Для научного прогнозирования и создания новых высокопродуктивных сортов необходимо проведение цитоэмбриологических исследований растений. Анализ результатов изучения цитогенетики и эмбриологии растений видов Cerasus vulgaris Mill и С tomentosa (Thunb.) Wall позволяет рекомендовать в качестве исходного селекционного материала вишне-черемуховый гибрид вида вишня обыкновенная - Харитоновская селекции О.С.Жукова (ВНИИГ и СПР им.И.В.Мичурина) и вишню войлочную, которые достаточно устойчивы к действию неблагоприятных экологических факторов, в частности, водному стрессу. 2. Для того, чтобы прогнозировать качество семян Cerasus vulgaris Mill и С. tomentosa (Thunb.) Wall, особенности получаемых из них сеянцев, рекомендуется использовать агрометеорологический анализ. 3. На основании полученных экспериментальных данных можно рекомендовать поливы в вишневых садах для поддержания оптимального уровня влажности почвы. Поливы особенно необходимы в критические периоды формирования семян и плодов: I - формирования андроцея и гинецея; II - раннего критического эмбриогенеза; III - преимущественного формирования эндосперма; IY - преимущественного формирования зародыша; Y-YI - формирования собственно плодов и семян; их физиолого-биохимической подготовки к прорастанию (Спицын, 1994; Спицын, Яндовка, 1996). В связи с наличием шести критических этапов семя- и плодообразования для повышения урожайности растений вишни рекомендуется проведение 12-ти поливов за вегетационный период (по 2 полива на каждом этапе; в год с оптимальным естественным водообеспечением) при постоянном контроле за физиологическими процессами.
Похожие диссертации на Формирование генеративных органов Cerasus vulgaris Mill и C. tomentosa (Thunb. ) Wall в связи с водным режимом
