Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Актуальные проблемы селекции многолетних видов бобовых 16
1.1 Основные направления селекции 16
1.2 Виды, перспективные для селекции 21
Глава 2 Репродуктивная биология семенных растений 25
2.1 Научный статус термина «репродуктивная биология» 25
2.2 Морфология цветка бобовых 29
2.3 Особенности опыления видов семейства Fabaceae 31
2.4 Потенциальная и реальная семенная продуктивность 38
2.5 Системы размножения бобовых трав 43
Глава 3 Объекты и методы исследований 52
Глава 4 Экология цветения и опыления культивируемых и дикорастущих трав семейства Fabaceae 62
4.1 Особенности строения и изменчивость величины цветка люцерны, клевера, донника, вики, чины 62
4.2 Динамика распускания и опыления цветков 72
4.3 Автотриппинг, рост пыльцевых трубок, двойное оплодотворение, развитие зародыша и эндосперма после самоопыления 80
Глава 5 Эмбриология культивируемых и дикорастущих видов семейства Fabaceae 92
5.1 Развитие стенки пыльника, микроспорогенез и фертильность пыльцы 94
5.2 Развитие и фертильность зародышевых мешков 104
5.3 Двойное оплодотворение, развитие зародыша и эндосперма 118
Глава 6 Особенности эмбриологии инбредных форм люцерны в связи с низкой семенной продуктивностью 127
6.1 Динамика состояния семязачатков в цветках разных видов люцерны 127
6.2 Состояние пыльцы и семязачатков, семенная продуктивность у Medicago sativa с первого по пятое поколение инбридинга 132
Глава 7 Семенная продуктивность разных видов семейства Fabaceae 141
7.1 Семенная продуктивность кормовых бобовых трав 141
7.2 Изменчивость морфобиологических признаков у видов рода Medicago и Trifolium 152
Глава 8 Обсуждение результатов исследований 159
Выводы 170
Список использованных источников 173
Приложение
- Основные направления селекции
- Научный статус термина «репродуктивная биология»
- Особенности строения и изменчивость величины цветка люцерны, клевера, донника, вики, чины
- Развитие стенки пыльника, микроспорогенез и фертильность пыльцы
Введение к работе
Особое место многолетних бобовых трав среди кормовых культур обусловлено их способностью усваивать атмосферный азот. Благодаря его повышенному накоплению в выносимой с урожаем биомассе и остающихся в поле корневых остатках одновременно с получением высококачественных кормов сохраняется плодородие почвы.
В Пермской области традиционно выращивают клевер, люцерну, донник, эспарцет, люпин и бобово-злаковые смеси. Суммарная площадь многолетних бобовых трав составляла в 1980-е годы около 300 тыс. га (Интенсивные кормовые культуры Предуралья, 1984). К 2003 г., по данным Госкомстата России, посевные площади бобовых кормовых трав по области достигли 556,5 тыс га, в дальнейшем планируется увеличение площадей до 587 тыс га (АПК: основные итоги развития в Пермской области, 2003).
Значительные площади занимает клевер луговой, который возделывается в России более 250 лет и является главной культурой полевых севооборотов. В Пермской области он выращивается повсеместно. Установлено, что при наличии в травостое 40% клевера отпадает необходимость во внесении минерального азота (Новоселов, Новоселова, 1997).
Второе место после клевера среди многолетних бобовых трав занимает люцерна. В Пермской области наиболее благоприятные условия для ее возделывания имеются в Кунгурском, Кишертском, Ординском, Суксунском и Уинском районах, где распространены темноцветные и щебенчатые известковые почвы (Интенсивные кормовые культуры Предуралья, 1984).
Сдерживающим фактором расширения посевов клевера и люцерны является отсутствие сортов, максимально приспособленных к возделыванию в местных условиях. Идея «идеального сорта» высказывалась неоднократно (Васильченко, 1950; Синская, 1950; Лубенец, 1956, 1974, 1975, 1977; Хасанов, 1972; Коровина, 1986; Новоселова, 1986), но она до сих пор не реализована в полной мере. Большинство из имеющихся сортов характеризуются низкими и крайне неустойчивыми по годам урожаями семян. По данным ряда исследователей (Ахундова, Морозова, Мурашев, 1994; Туркова, 2002), опадение репродуктивных органов клевера и люцерны, которое наблюдается на протяжении всего периода цветения и плодообразования, составляет 81,8 - 92,5%. Число семян на боб у люцерны не превышает 20%, а у клевера число семян на соцветие составляет 15% от максимально возможного. . Необходим анализ состояния семязачатков растений на всех этапах генеративного цикла от заложения генеративных почек до созревания семян для оценки будущего урожая и качества семян. Создание «идеального сорта» также существенно затрудняет самонесовместимость, характерная для многолетних видов люцерны и клевера, но, к сожалению, слабо изученная. Кроме того недостаточная обеспеченность насекомыми-опылителями приводит к низким показателям урожая семян.
Разработка и осуществление селекционных программ невозможны без данных по репродуктивной биологии. Еще в 1934 году Н.И. Вавилов указывал, что изучение биологии цветения и опыления на широком эколого-географическом материале является базой практической селекции (Вавилов, 1965). Использование новых дикорастущих видов в качестве исходного селекционного материала предполагает знание процессов цветения, опыления, особенностей развития пыльцы и зародышевых мешков, формирования зародыша и эндосперма. Эта идея давно получила серьезное обоснование и в настоящее время не нуждается в дополнительных доказательствах.
Актуальность темы,
Семейство бобовых занимает второе место в кормопроизводстве после злаковых. Но по кормовой ценности зеленой массы, витаминного сена, способности к рассолению верхних слоев почвы, обогащению почвы азотом кормовые бобовые травы часто превосходят злаки.
По данным Госкомстата России, в 2002 г. посевные площади кормовых трав, в том числе, клевера и люцерны, составили 17945 тыс га (Российский статистический ежегодник, 2002); на долю бобовых трав приходилось 42,8%. Люцерна возделывалась в 80 странах всех континентов земного шара (Иванов, 1980). Клевер высевался более чем в 70 областях и краях нашей страны, а во многих районах Нечерноземья являлся главной культурой в травосмесях севооборотов (Интенсивные кормовые культуры Предуралья, 1984). Для расширения посевов кормовых бобовых культур в настоящее время привлекаются новые перспективные виды данного семейства. По результатам изучения природного генофонда дикорастущих родичей культивируемых растений флоры СССР сотрудники ВИР им. Н. И. Вавилова рекомендуют в качестве перспективных для использования в культуре 130 видов семейства Fabaceae, в том числе 20 видов люцерны, 22 вида клевера, 23 вида вики, 16 видов чины и 8 видов донника (Коровина, 1986).
Для всех культивируемых бобовых весьма актуальна проблема низкой семенной продуктивности. Этим объясняется пристальный интерес к ней многочисленных исследователей, изучающих разные стороны этой проблемы (Навалихина, 1977; Генетические методы ускорения селекционного процесса, 1986; Дюкова, 1987; Мустафаев, 1989; Туркова, 1992; Писковацкий, Ненароков, Степанова, 1997; Михайличенко, 1998; Ашурметов, Каршибаев, 2002; Зубарев, 2003; Писковацкая, Жуков, 2004). Достаточно отметить, что при условии оплодотворения каждого цветка и развития каждого семязачатка в нормальное семя потенциальная семенная продуктивность люцерны посевной составит 30 - 40 ц с га, клевера лугового - 80 - 100 ц с га. Однако фактические урожаи очень низки; лишь в отдельных случаях они достигают 7-10цсгаи8-14цсга соответственно (Фадеева, 1989).
Причины низкой реализации потенциальной продуктивности многолетних бобовых трав разнообразны. Во-первых, это асинхронность заложения и длительный период развития цветков в соцветии, приводящий к недостаточности обеспечения питательными веществами (Ахундова, Морозова, Мурашев, 1994), наличие нарушений в строении семязачатков (Зимницкая, 1992). Во-вторых, - поражение вредителями и болезнями, вызывающими опадение бутонов, цветков и бобов (Жаринов, 1977). В-третьих, неблагоприятные погодные условия способствуют уменьшению лета опылителей, что ведет к осыпанию неопыленных цветков. Высокая влажность воздуха и почвы приводят к вторичному росту, полеганию, формированию новых цветков, не успевающих образовывать плоды и семена (Волынец, Пальченко, Морозик, 1989).
Сдерживающим фактором для создания высокопродуктивных сортов культивируемых бобовых является отсутствие данных по качественной и количественной оценке различных этапов формирования репродуктивных органов растений и их реализации в процессе функционирования. Необходимо выявление критических этапов органогенеза, на которых происходят наибольшие потери.
Изложенное выше убеждает в том, что актуальность изучения репродуктивной биологии культивируемых и дикорастущих бобовых растений для выявления причин низкой семенной продуктивности несомненна. Ограниченность, а в отношении некоторых видов важнейших возделываемых культур, относящихся к родам Medicago, Trifolium, Melilotus - отсутствие данных, необходимых для селекционно-генетических программ, побудили нас предпринять исследование широкого круга вопросов, касающихся разных видов бобовых.
Исследования проводились в соответствии с научной темой кафедры ботаники и генетики растений Пермского государственного университета «Репродуктивная биология хозяйственно важных растений» (№ госрегистрации 01860103377), входившей в координационный план АН СССР «Биологические основы рационального использования, преобразования и охраны растительного мира», а также продолжены по теме «Репродуктивная биология кормовых бобовых трав» на кафедре ботаники и генетики Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова.
Цель исследования
Сравнительное изучение репродуктивной биологии ряда важнейших кормовых культур из семейства Fabaceae, а также их дикорастущих родичей, перспективных для селекции; анализ формирования репродуктивных органов растений; выявление эмбриологических причин низкой семенной продуктивности и резервов ее повышения.
Задачи исследования, - изучить особенности цветения и опыления культивируемых и дикорастущих бобовых трав родов Medicago, Trifolium, Melilotus, Astragalus, Vicia и Lathyrus; - исследовать особенности эмбриологии многолетних видов люцерны, клевера, донника и астрагала; - выявить этапы, а также возможные нарушения в развитии репродуктивных органов и их характер у дикорастущих бобовых трав родов Medicago, Trifolium, Melilotus; сравнить состояние репродуктивных органов Medicago sativa первого -пятого поколений инбридинга; сопоставить особенности репродуктивной биологии видов Medicago и Trifolium разной степени плоидности; - определить потенциальную и реальную семенную продуктивность культивируемых и дикорастущих бобовых трав, выяснить причины их низкой семенной продуктивности и резервы ее повышения.
Научная новизна работы
Настоящая работа обобщает результаты исследований, проводившихся в 1983-2005гг. Впервые проведено комплексное изучение формирования репродуктивных органов дикорастущих видов бобовых с учетом особенностей их экологии.
Изучены особенности репродуктивной биологии 26 видов семейства Fabaceae, из них 17 видов {Medicago cancellata, М. glutinosa, М. polychroa, М. trautvetteri, М. difalcata, М. quasifalcata, М. caerulea, М. hemicycla, Trifolium medium, Melilotus officinalis, Vicia cracca, V. tenuifolia, Lathyrus sylvestris, Astragalus danicus, A. onobrychis, A. kungurensis, A. permiensis) эмбриологически исследованы впервые.
Впервые изучена фертильность и стерильность семязачатков 23 видов семейства Fabaceae методами люминесцентной и йодной микроскопии, в ходе которой выявлены некоторые причины низкой семенной продуктивности кормовых бобовых и резервы ее повышения.
На основе собственных исследований и данных литературы впервые осуществлен сравнительный морфобиологический и эмбриологический анализ 44 многолетних видов семейства Fabaceae, что позволило выявить как общие признаки и свойства, так и особенности их развития.
Дана оценка этапов формирования репродуктивных органов многолетних бобовых трав. Впервые дан сравнительный анализ потенциальной и реальной семенной продуктивности 13 видов семейства Fabaceae, относящихся к кормовым травам. Выделены фазы развития, ключевые моменты снижения семенной продуктивности и причины этого явления у разных видов рода Medicago и Trifolium.
Впервые поэтапно прослежено состояние семязачатков у люцерны посевной первого - пятого поколений инбридинга. Установлено влияние инбредной депрессии на формирование семян в бобах данных растений.
Теоретическая и практическая значимость работы
Данные по суточному ходу цветения и опыления пяти многолетних видов Medicago, трех многолетних видов Trifolium и двух двулетних видов Melilotus пополняют сведения по репродуктивной биологии ценных кормовых растений.
В результате наших исследований всесторонне изучен процесс развития репродуктивных органов ценнейших кормовых трав, что является важным вкладом в познание проблемы семеноводства растений. Знание особенностей репродуктивной биологии дикорастущих видов бобовых необходимо при введении их в культуру.
Материалы эмбриологических исследований пополняют характеристику семейства Fabaceae и могут быть использованы как в целях селекции, так и для систематики.
Результаты исследований репродуктивной биологии 12 видов семейства Fabaceae включены в базу данных по бобовым растениям «International legume database & information servise», доступную по адресу: http: II plant).
Изучение возникновения стерильных семязачатков и семян и их диагностика, проведенная экспресс-методами на большом числе видов, имеют важное теоретическое, и практическое значение.
Количественная характеристика дегенерации семязачатков в процессе развития дикорастущих видов Medicago, Trifolium, Melilotus, а также данные поэтапного изучения состояния семязачатков инбредных растений Medicago sativa, могут использоваться в . селекции на повышение семенной продуктивности. Выявление причин низкой семенной продуктивности возделываемых бобовых вносит значительный вклад в решение проблемы повышения урожайности важнейших сельскохозяйственных культур.
Результаты работы используются при проведении занятий по ботанике на кафедре ботаники Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д. Н. Прянишникова, чтении спецкурсов на кафедре ботаники и генетики растений Пермского государственного университета, постоянные микропрепараты используются в лабораторном практикуме по спецкурсу «Эмбриология растений», рисунки с микропрепаратов включены в опубликованные учебно-методические пособия по ботанике и генетике.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Для изученных многолетних бобовых трав характерен комплекс признаков, обеспечивающих аутбридинг и энтомофилию: большое число цветков в соцветии и на растении, пыльцевых зерен в пыльниках и семязачатков в завязи; дневной ход распускания и опыления цветков с максимумом в период активного лета опылителей; механизм защиты от самоопыления через «замковое» строение цветка и генетически обусловленную самонесовместимость.
2. Имеется определенное сходство в развитии и строении репродуктивных структур исследованных видов семейства Fabaceae:двудольный тип развития стенки пыльника, двухклеточные зрелые пыльцевые зерна, кампилотропные двупокровные семязачатки, Polygonum-тип развития зародышевого мешка, нуклеарный эндосперм с цитокинезом в микропилярной части эндоспермального ценоцита.
Вместе с тем у разных видов семейства Fabaceae может быть различно количество клеток археспория, размеры пыльцы и семязачатков, строение суспензоров, тип развития зародыша.
У инбредных растений Medicago sativa число нарушений в строении семязачатков значительно возрастает в сравнении с неинбредными, а также возникают новые аномалии. В максимальной степени они проявляются у растений второго и третьего инбредного поколения. В пятом поколении признаки депрессии в развитии репродуктивных органов отсутствуют.
Низкая семенная продуктивность многолетних видов рода Medicago и Trifolium обусловлена комплексом причин, в числе которых: отмирание части семязачатков до опыления вследствие аномалий развития; отмирание неоплодотворенных семязачатков из-за самонесовместимости или недостатка опылителей; гибель части семян из-за нарушений в развитии эндосперма или клеток зародыша.
5. Для клевера и люцерны наиболее значимой для будущего урожая семян является стадия Проста органов цветка, когда венчик выше чашелистиков на их длину. Именно в этот период перспективно использование экспресс-методов определения фертильности семязачатков для селекции на высокую семенную продуктивность.
Апробация работы и публикация результатов
Основные результаты исследований были доложены на совещаниях ботаников Урала (г. Свердловск, 1985, 1986, 1990, г. Курган, 1988, г. Сыктывкар, 2002); 9 Всесоюзном совещании по эмбриологии растений (г. Кишинев, 1986); 4 Всесоюзном совещании «Проблемы размножения цветковых» (г. Пермь, 1987); Всесоюзном симпозиуме «Проблемы репродуктивной биологии растений» (г. Пермь, 1996); 1 съезде Всесоюзного общества генетиков и селекционеров (г. Москва, 1987); XI International symposium «Embryology and seed reproduction» (Leningrad, .1990); Международном симпозиуме по эмбриологии и семенной репродукции (г. Санкт-Петербург, 1992); Интернациональном симпозиуме по репродуктивной биологии (г. Ташкент, 1990, 1998); XV International Congress on Sexual Plant Reproduction «Regulation, interaction, development» (Wageningen, Nederland; 1998); 10, 11 Ботанических съездах Русского ботанического общества (г. Санкт-Петербург, 1998, г. Новосибирск, г. Барнаул, 2003); Всероссийской научной конференции «Флористические и геоботанические исследования в Европейской России» (г. Саратов, 2000); популяционном семинаре «Фундаментальные и прикладные проблемы популяционной биологии» (г. Н.Тагил, 2002); Международных симпозиумах «Информационные системы по биоразнообразию видов и экосистем» (г. Санкт-Петербург, 1999, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Вопросы экологии и природопользования в аграрном секторе» (г. Ижевск, 2003); XXV th EUCARPIA Fodder Crops and Amenity Grasses Section Meeting and XV th EUCARPIA Medicago spp. Group Meeting (Brno, Czech Republic, 2003), а также на ежегодных отчетных конференциях в Пермском государственном университете и Пермской государственной сельскохозяйственной академии.
Всего опубликовано 65 научных трудов, из них по материалам диссертации - 51, в том числе, 1 коллективная монография, 3 статьи в центральных рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах, 11 статей в региональных отечественных научных журналах, 14 материалов конференций, съездов, 19 тезисов совещаний, конференций, симпозиумов, 1 электронная публикация, 1 электронная база данных и 1 учебное пособие с грифом УМО высших учебных заведений по РФ. Доля участия в совместных публикациях от 30 до 80%.
Линый вклад диссертанта
В диссертации изложены результаты более чем двадцатилетних исследований автора по репродуктивной биологии 26 видов бобовых трав, охватывающие развитие цветка, семязачатков и пыльцы, опыление, рост пыльцевых трубок, оплодотворение, развитие зародыша и эндосперма, а также определение величины органогенного потенциала генеративной сферы и уровень ее реализации в онтогенезе.
В диссертационную работу вошли полевые и экспериментальные данные, полученные лично диссертантом и в совместных экспедициях со студентами Пермского госуниверситета под руководством автора (при личном участии в сборе и обработке материала).
За период работы выполнено более 200 наблюдений над растениями 12 культивируемых и 14 дикорастущих видов, 20 популяциями, выполнено около 5000 фиксаций завязей исследованных видов, изготовлено 7000 постоянных и 4000 временных препаратов, 123 фотографии и рисунка. Полученные в ходе исследований цифровые данные обработаны статистически и представлены в 37 таблицах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка использованных источников и приложения. Текст, объемом 309 страниц, включает 37 таблиц, 46 рисунков. Список использованных источников содержит 424 наименования, в том числе 90 названий на иностранных языках.
Благодарности
Приношу сердечную благодарность моему учителю, научному руководителю и консультанту - профессору, доктору биологических наук Валентине Александровне Верещагиной.
Я благодарна за консультации и советы сотрудникам Приаральской опытной станции ВИР, сотрудникам ВНИИ растениеводства имени Н.И. Вавилова д.б.н., проф. Ларисе Ивановне Орел, д.б.н. Николаю Ивановичу Дзюбенко, д.б.н., проф. Маргарите Афанасьевне Вишняковой, к.б.н. Елене Владимировне Климовой, а также сотруднику Всероссийского института кормов имени В.Р. Вильямса д.с.-х.н. Михаилу Юрьевичу Новоселову.
Искренне признательна моим соавторам по ряду публикаций: в первую очередь к.б.н., доценту кафедры ботаники и генетики растений Пермского государственного университета Ларисе Викторовне Новоселовой, а также к.б.н. Наталье Юрьевне Малышевой и к.б.н. Елене Борисовне Казачковской.
Благодарю студентов кафедры ботаники и генетики растений Пермского государственного университета, в разные годы принимавших участие в полевых исследованиях.
Основные направления селекции
Одной из основных проблем сельскохозяйственного производства, приобретающей с каждым годом все более важное значение, является проблема развития животноводства, немыслимая без коренного улучшения кормопроизводства. Многолетние травы используют на корм скоту в виде зеленой массы, сена, сенажа, силоса, пасты, брикетов, гранул и т.д. Кормовая ценность трав определяется урожаем и распределением его по укосам, темпам отрастания после отчуждения (скашивания или выпаса), поедаемостью животными, питательностью и переваримостью.
Многолетние бобовые травы, обладающие азотфиксирующей способностью, восстанавливают структуру почвы и повышают ее плодородие, предотвращают водную и ветровую эрозию.
Еще в 1970-е годы для возделывания в СССР предлагалось районированных сортов люцерны - 71, клевера - 112, донника - 8 (Каталог районированных сортов сельскохозяйственных культур, 1974). Но районированные в 40 - 80-е годы сорта клевера и люцерны не удовлетворяют многим требованиям производства, так как имеют существенные недостатки - позднеспелость, сильную полегаемость, низкую и неустойчивую семенную продуктивность, слабую устойчивость к неблагоприятным факторам среды и болезням (Новоселов, 2000). По результатам сортоиспытания сельскохозяйственных культур за. 2003 год по Пермской области рекомендованы всего пять сортов люцерны (Вега 87, Пастбищная 88, Камелия, Луговая 67, Сарга), четыре сорта клевера (Пермский местный, Фаленский 86, Лобановский, Трио), три вида донника (донник белый, желтый, душистый) (Сортовое районирование сельскохозяйственных культур, 2003).
Существенное значение имеет создание сортов нового поколения с комплексом хозяйственно-ценных признаков.
Люцерна - одна из наиболее ценных кормовых культур, отличающаяся высоким содержанием сбалансированного по аминокислотному составу белка (в среднем 20% в сухой массе), витаминов, минеральных веществ, особенно кальция (Кормовые растения..., 1937; Люцерна, 1950).
Ареал возделывания люцерны выходит за пределы естественного произрастания. Естественный ареал многолетних видов люцерны ограничивается Евразией и располагается к северу и югу от горного пояса по линии Пиринеи - Альпы - Балканы - Кавказ - Тянь-Шань - Памир - Тибет. В Старом Свете культурные фитоценозы встречаются далеко на севере, за пределами естественного произрастания. В Южном полушарии границы естественного и культурного ареалов совпадают. В России ареал возделывания люцерны совпадает на юге с государственной границей, на севере проходит по линии С-Петербург - Ярославль - Пермь - Томск (Иванов, Сосков, Бухтеева, 1986).
Разнообразие условий возделывания и различные направления использования создают значительные трудности в селекции люцерны. Общая задача для всех зон ее возделывания - выведение сортов интенсивного типа, обладающих высокой отзывчивостью на орошение и удобрение, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям, болезням и вредителям, сочетающих высокие урожаи зеленой массы хорошего качества с устойчивой семенной продуктивностью. Одно из важнейших направлений - селекция на повышение семенной продуктивности. Практически во всех странах, возделывающих люцерну, в последние годы уделяется большое внимание повышению урожая семян новых сортов. В селекции на семенную продуктивность учитывают процент плодообразования, число семян в бобе, размер и компактность соцветий, полегаемость, дружность цветения и созревания, совпадение цветения со сроками вылета диких насекомых-опылителей (Новоселова, 1986).
Для селекции в указанном направлении создается исходный материал с признаками автотриппинга, самофертильности, высокой выживаемости завязей и фертильности пыльцы. В ряде стран Европы и Америки проводятся работы по выведению сортов люцерны, способных нормально завязывать семена в результате самоопыления при автотриппинге. Использование форм с частичным самооплодотворением (30 - 40%) и легким автотриппингом цветков привело к получению в Венгрии синтетического сорта AY-PX, что повысило семенную продуктивность на 20 - 40%. В Канаде выведена самоопыляющаяся форма люцерны Ellerslae I, которая при отсутствии насекомых-опылителей дает в два - четыре раза больше семян, чем обычные перекрестноопыляющиеся сорта. Легкостью раскрытия цветка характеризуется сорт селекции ВНИИ кормов Вега 87, и сорт Украинского НИИ земледелия Ярославна (Терещенко, Петков, Билецкий, 1983). Работы по созданию синтетических самоопыляющихся популяций люцерны велись на Приаральской опытной станции ВИР (Дзюбенко, 1981, 19826, 1984).
Другая, не менее ценная кормовая культура - клевер, имеет большое значение в полевом и луговом кормопроизводстве. Клевер возделывается почти во всех частях света. В России клевер луговой сеют в лесной зоне, во многих районах лесостепной зоны, а предгорных и горных районах Кавказа, а также при орошении в степных районах.
Больше всего посевы клевера лугового распространены в Нечерноземной зоне. На значительных площадях клевер возделывают на Урале (в Башкирии, Пермской области), а также в подтаежных районах Сибири (Клевер в России, 2002).
Научный статус термина «репродуктивная биология»
Научный статус термина «репродуктивная биология» обсуждался неоднократно. Это обсуждение было инициировано Р.Е. Левиной (1981) и во многом было связано с работами А.Н. Пономарева (1960, 1968, 1969, 1970), в которых рассматривались предмет антэкологии, а также задачи, методы и направления исследований в области цветения и опыления растений. Позднее к дискуссии присоединились Н.П. Стартова (1993), Э.С. Терехин (1988, 1993, 2001), Ю.А.Злобин (1989,2000а,б,в).
Репродуктивная биология вида, согласно точке зрения Р.Е. Левиной (1981), охватывает биологию и экологию его размножения и возобновление популяции. Репродуктивная биология должна изучаться на организменном, популяционно-видовом и биоценотическом уровнях. Она включает исследования органогенеза цветка, цветение и опыление, оплодотворение, эмбриогенез, созревание семян, диссеминацию, покой и прорастание семян, семенное возобновление. Репродуктивная биология вида складывается из двух составляющих: размножения особей и возобновления популяции. Но когда речь идет о введении в культуру новых видов из генценторов происхождения культурных растений, то особое значение приобретает исследование первой составляющей, так как для возобновления агрофитоценоза достаточно получить качественный семенной материал.
Р.Е. Левина (1981) выдвигает в качестве основного направления в репродуктивной биологии полное изучение вида с охватом всех этапов генеративного цикла (от заложения генеративных почек и кончая семенным возобновлением). Существенны и другие стороны исследования -установление степени.лабильности отдельных этапов, сочетание различных способов и типов опыления, варьирование ритма цветения и плодоношения, эффективность диссеминации, варьирование темпов прорастания семян. Особого внимания заслуживает вопрос о количественных соотношениях и факторах разрыва между потенциальной и реальной семенной продуктивностью, запасом семян и числом всходов, числом ювенильных и генеративных особей. В ряде случаев для оценки типа опыления, выявления причин стерильности семян, необходим эмбриологический контроль.
Как считает Э.С. Терехин (1993), репродуктивная биология - это область ботаники, включающая всестороннее исследование процессов семенного размножения. В современной ботанике она является ключевой, так как охватывает изучение конкретных особенностей процессов репродукции в различных таксонах и экологически дифференцированных группах растений на всех уровнях их организации. Исследование репродукции растений включает биологию, морфологию и экологию репродуктивных структур и процессов.
Таким образом, репродуктивная биология - направление, возникшее на стыке эмбриологии, антэкологии, карпологии, генетики, физиологии и селекции растений (Терехин, 1988).
Ю.А. Злобин (1989) подразделяет репродуктивный цикл на восемь основных этапов: органогенез цветка, цветение, опыление и оплодотворение, формирование семян и плодов, диссеминацию, покой семян, прорастание семян, формирование всходов и проростков. Центральное место в оценке репродукции занимают потенциальная семенная продуктивность, равная числу семязачатков, закладывающихся на особь или генеративный побег, и реальная семенная продуктивность, под которой понимают число жизнеспособных семян, продуцируемых особью. Показательны и аллометрические отношения: число плодов к числу цветков, число семян к числу семязачатков. Для комплексной оценки репродуктивной биологии особи необходимо учитывать серию параметров, которые характеризуют репродукцию с разных ее сторон.
Оценка процесса воспроизведения на уровне популяций растений опирается на самостоятельные популяционные параметры: количество производимых семян на единицу площади, т.е. урожай; размер запаса семян в почве; характер размещения диаспор на территории популяции; число всходов и проростков и характер их размещения.
Центральное место при анализе популяционного уровня репродукции занимает понятие урожая. В соответствии с этапами репродукционного цикла Ю.А. Злобин (1968) выделяет три категории урожаев: потенциальный урожай - количество семязачатков на материнских растениях на единицу площади; фактический урожай - количество созревших и вступающих в процесс диссеминации семян на единицу площади; грунтовый урожай - количество жизнеспособных семян на единицу площади к началу их прорастания.
Вопросы исследований, которые принадлежат к сфере репродуктивной биологии, очерчены Международной ассоциацией исследователей репродуктивной биологии (IASPRR) и являются предметом обсуждения на ее Международных конгрессах (International Congress on Plant Reproduction). Они группируются в три блока - Regulation, Development, Integration - и включают следующие разделы: развитие цветка (эмбриологические аспекты и генетика), развитие семязачатков и пыльцы, опыление, рост пыльцевых трубок, взаимодействия пыльцы и рыльца, несовместимость, оплодотворение, развитие зародыша и эндосперма; биотехнология и скрещивание растений, оплодотворение in vivo и in vitro, апомиксис. В зависимости от научных достижений в той или иной области в программах конгрессов прослеживается приоритет, доминирование отдельных проблем. Мы руководствуемся именно этой трактовкой понятия «репродуктивная биология».
Особенности строения и изменчивость величины цветка люцерны, клевера, донника, вики, чины
Обзор литературы по морфологии цветка кормовых бобовых трав: Medicago, Trifolium, Melilotus, Astragalus, Vicia и других показывает, что его строение обеспечивает перекрестное опыление, осуществляемое посредством насекомых-опылителей. Модификации в строении цветка и преподношении пыльцы - результат адаптации разных видов к специфической достаточно узкой группе опылителей.
Чашечка цветка люцерны состоит из пяти сросшихся чашелистиков. Венчик люцерны серповидной, решетчатой, южноказахстанской, серпообразной желтый, 6-8 мм длины, у других исследованных нами видов люцерны - разных оттенков голубого, синего, фиолетового цвета, 6-10 мм длины. Перед опылением в распустившемся цветке, соответствующем восьмой стадии развития, флаг расположен под углом 90 по отношению к лодочке. Внутри лодочки заключена колонка, состоящая из девяти сросшихся в тычиночную трубку нитей тычинок (нечто вроде желобка с несросшимися верхними краями). Десятая тычинка располагается над верхним краем. Внутри трубки располагается тоненький пестик. Бугорки на внутренней поверхности лодочки удерживают пестично-тычиночную колонку в лодочке. Весла образуют роговидные отростки, которые входят в углубления лодочки, образующиеся с другой стороны бугорков, и помогают удерживать пестично-тычиночную колонку. Кроме того, весла образуют два лентовидных пружинящих отростка, которые прижаты с верхней стороны к колонке (приложение, рис. 1.1). . .
В условиях Приаралья среднее число распустившихся за день цветков в соцветии разных видов люцерны варьировало от 4 (М. falcata) до 6 (М. caerulea); причем выявлена ожидаемая закономерность: чем больше цветков в соцветии данного вида, тем. большее число их раскрывается за день. В итоге, продолжительность распускания всех цветков одного соцветия у разных видов люцерны в благоприятные солнечные дни одинакова - 2-4 дня. В малоцветковых соцветиях М. falcata формируется от 3 до 13 цветков (в среднем 7); у М. caerulea число цветков в соцветии варьирует от 8 до 38 (в среднем 18). М. cancellata, М. sativa, М. trautvetteri, М. difalcata, М. quasifalcata занимают промежуточное положение и по числу цветков в соцветии, и по числу цветков, распустившихся за день. Среднее количество цветков в соцветии М. cancellata - 7, М. trautvetteri - 10 (табл. 3). Число цветков в соцветии — видовой признак. Большинство исследованных видов достоверно отличаются по данному признаку (приложение, табл. 4). Нет существенной разницы по числу цветков в соцветии между близкими видами М. difalcata и М. quasifalcata. А.И. Иванов (1$74), в отличие от Е.Н. Синской (1950, 1960), разделяющей эти виды, указывает на общие черты, тесные генетико-морфологические связи между М. quasifalcata и М. difalcata. Наши данные можно рассматривать как аргумент в поддержку мнения А.И. Иванова.
Следует отметить, что желтоцветковые виды характеризуются малоцветковыми соцветиями: число цветков у этих видов колеблется от 3 до 19, а у синецветковых - от 5 до 38. Сходная картина наблюдается по другому количественному признаку, влияющему на семенную продуктивность вида, -число закладывающихся в завязи семязачатков. Достоверно различаются две группы: желтоцветковые с числом семязачатков от 5 до 7 и синецветковые, у которых число семязачатков в завязи значительно больше - 9-10.
Размеры цветков (М) многолетних видов люцерны (измерялись распустившиеся готовые к опылению цветки, когда парус расположен под углом 90 к лодочке) варьируют по средним показателям от 6,1 мм у М. cancellata до 8,1 мм у М. trautvetteri (табл. 3).
По мерным признакам, таким как длина цветка от цветоложа до верхней точки венчика, длина лодочки и пестика, ширина паруса достоверной разницы между многолетними видами, желто- и синецветковыми видами, диплоидными и тетраплоидными видами люцерны не выявлено (приложение, табл. 5, 6). По-видимому, благодаря адаптации формы и размеров цветка соответствующему кругу опылителей, размеры цветков многолетних полиплоидных видов люцерны варьируют в тех же пределах, что и диплоидных.
Среди исследованных видов люцерны пять - М. caerulea, М. difalcata, М. quasifalcata, М. trautvetteri, М. hemicycla - диплоиды (2п =16), пять - М. sativa, М. falcata, М. varia, М. polychroa, М. tianschanica - тетраплоиды (2п =32) и один - М. cancellata - гексаплоид (2п =48). Выявлено, что у тетраплоидных видов, число цветков в соцветии существенно меньше (от 7 до 12), чем у диплоидных (от 10 до 18). Растения гексаплоидного желтоцветкового вида Medicago cancellata отличались малоцветковыми соцветиями (3-10), мелкими цветками (4,9-7,0 мм) и небольшим числом семязачатков в завязи (4-9), в отличие от остальных исследованных, относящихся к диплоидным или тетраплоидным видам. Сравнивая промеры цветков однолетних видов люцерны, выполненные Л.В. Новоселовой (Верещагина, Колясникова, Новоселова, 2004), с нашими данными по многолетним видам, следует подтвердить, цветки многолетних люцерн значительно крупнее, что связано видимо с их энтомофильностью.
Развитие стенки пыльника, микроспорогенез и фертильность пыльцы
Пыльники у исследованных видов четырехгнездные, развиваются по типу двудольных. В бутонах первой стадии развития, когда венчик еще полностью скрыт чашелистиками, активно осуществляется дифференциация клеток пыльника. Стенка пыльника четырехслойна, включает эпидермис, эндотеций, средний слой и тапетум. Клетки тапетума, окружающие микроспороциты, имеют густо окрашенную цитоплазму, клетки остальных слоев почти не отличаются друг от друга.
Тапетум секреторного типа одноядерный. В период мейотического деления микроспороцитов осуществляется дифференциация слоев стенки пыльника. Клетки эпидермиса растягиваются и уплощаются, ядра в них деформируются, цитоплазма сильно вакуолизуется. Клетки эндотеция вытягиваются в радиальном направлении и приобретают фиброзные утолщения. Средний слой постепенно сминается. Дегенерация тапетума /, совпадает по времени со стадией тетрад микроспор и одноядерной пыльцы. Стенка зрелого пыльника состоит из эпидермиса и эндотеция.
Спорогенные клетки в пыльниках люцерны расположены в два - три слоя. Мейоз протекает нормально и синхронно в пределах одного пыльника. Однако, начиная со стадии диакинеза, у М. caerulea и М. quasifalcata синхронность нарушается как в разных гнездах одного пыльника, так и в разных пыльниках одного цветка. Образование микроспор происходит симультанно, расположение их в тетрадах тетраэдрическое, реже изобилатеральное. Микроспороциты и тетрады микроспор заключены в каллозные оболочки, хорошо заметные при подкраске алциановым синим. Обособление микроспор сопровождается увеличением их размеров, они становятся округлыми. Уже на стадии микроспор в пыльниках встречаются дегенерирующие пыльцевые зерна неправильной формы, смятые. В зрелых пыльниках у всех изученных видов наряду с нормальными двухклеточными пыльцевыми зернами содержится некоторое количество стерильных пыльцевых зерен (приложение, рис. 14,15).
Зрелые пыльцевые зерна двухклеточные, округлые, трехбороздноапертурные у видов рода Medicago (приложение, рис. 16), двухклеточные, эллипсоидальные, трехбороздноапертурные - у Trifolium, Melilotus к Astragalus (приложение, рис. 17). У М. caerulea и М. polychroa встречаются единичные четьфехпоровые пыльцевые зерна. Вегетативное ядро крупное, шаровидное, располагается в центре пыльцевого зерна, слабо красится по Фельгену, генеративная клетка удлиненно-овальная с яркоокрашенным ядром. Хорошо обозначены экзина и интина. Наши данные по форме и морфологии пыльцевых зерен согласуются с подобными исследованиями по другим видам семейства, так у Lotus corniculatus пыльцевые зерна двухклеточные овальной формы (Чубирко, 1972), у видов рода Onobrychis - двухклеточные удлиненно-овальной формы меридионально трехбороздноапертурные (Кадырова, 1979), у видов рода Lupinus-двухклеточные (Чубирко, Кострикова, 1985).
Трехклеточная пыльца наряду с двухклеточной наблюдалась у Onobrychis. У Lupinus и Trifolium рядом авторов отмечалось прорастание пыльцы внутри пыльников (Чуксанова, 1952; Чеботарь, 1987).
Морфологические особенности пыльцы у однолетних и многолетних люцерн исследованы Е.Е. Ника (1955). Обнаружено варьирование величины пыльцевых зерен от 22,75 до 42,25мкм с отношением длины пыльцевых зерен к их ширине от 1:1,01 до 1:1,2. Эктэкзина пыльцевых зерен текстурная, за исключением М. denticulata,y которой она гладкая. У видов М. rigidula и М. agrestis редкомелкоточечная текстура без образования какого-либо рисунка, у М. minima - точечная текстура, образующая точечные ячейки на неточечном фоне. Точечная текстура с неточечными ячейками описана у М. scutellata, М. orbicularis и.М lupulina. В роде Medicago автор обнаружила семь способов примыкания края эктэкзины к порам. Края эктэкзины при примыкании к порам на их уровне у М. agrestis - суженные, у М. lupulina -расширенные, у М. scutellata, М. orbicularis, М. rigidula - прямосрезанные, у М. denticulata и М. minima - прямосрезанные и приподнятые. Поры пыльцевых зерен овальной формы .у М. minima, у всех остальных представителей округлые. У однолетних видов расстояние между порами составляет от 17,88 до 26,00мкм, глубина пор от 3,25 до 16,25мкм, диаметр пор от 1,63 до 6,50мкм.
По форме пыльцевых зерен Е.Е. Ника (1955) разделяет многолетние виды люцерны на три группы. В первую группу автор включает виды, имеющие пыльцу овальной формы, как у М. hemicycla, М. varia, М. marina, М. dagestanica, во вторую группу - виды с пыльцевыми зернами округло-треугольной формы - М. falcata, М. sativa, М. caerulea, М. tianschanica, третья группа - М. polychroa, М, glutinqsa, М. dzawakhetica, М. agropyretorum, у них пыльцевые зерна округлой формы.
