Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты, место и методы исследований 14
1.1. Объекты исследований 15
1.2. Место исследований 28
1.3. Методы исследований 30
Глава 2. Генетические ресурсы однолетних видов рода Люцерна (Medicago L., Fabaceae) 34
2.1. Актуальные вопросы в исследованиях генетических ресурсов растений 34
2.2. Однолетние виды в системе рода Medicago L 40
2.3. Структура популяций однолетних видов рода Medicago 48
2.4. Однолетние виды рода Medicago L. в природе и в культуре 49
2.5. Однолетние виды рода Medicago L.B селекционно-генетических программах 53
2.6. Матрица признаков для компьютерного политомического ключа для определения однолетних видов рода Medicago 54
2.7. Внутривидовой полиморфизм однолетних видов рода Medicago 58
Глава 3. Репродуктивная биология однолетних видов рода Люцерна (Medicago L., Fabaceae) 104
3.1. Актуальные вопросы в исследованиях репродуктивной биологии 104
3.2. Цветок. Цветение и опыление ПО
3.3. Бутонная клейстогамия 124
3.4. Эмбриология 146
3.4.1. Развитие и фертильность пыльцевых зерен 147
3.4.2. Развитие и фертильность зародышевых мешков 153
3.4.3. Двойное оплодотворение. Зародыш и эндосперм 167
3.5. Семенная продуктивность 174
Глава 4. Система размножения видов рода Medicago 184
Глава 5. Электронная база данных «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae» и ее Интернет-версия 196
5.1. Создание базы данных 196
5.2. Структура полей базы данных 197
Выводы 208
Библиографический список 210
Приложение 248
- Методы исследований
- Однолетние виды рода Medicago L. в природе и в культуре
- Актуальные вопросы в исследованиях репродуктивной биологии
- Структура полей базы данных
Введение к работе
1.1. Актуальность работы.
Род Medicago L. содержит 83 вида, из них 62 являются однолетними видами (Small, Jomphe, 1989). Наибольшее разнообразие однолетних видов рода Medicago сосредоточено в Среднеазиатском, Средиземноморском и Австралийском генцентрах, а также Крымском регионе Европейско-Сибирского центра (Иванов, 1974, 1980). Однолетние виды рода Medicago отличаются высокой экологической пластичностью. В зависимости от условий местообитания они выступают либо как эдификаторы, либо как компоненты различных растительных группировок. В горных условиях однолетние виды люцерны являются эфемерами и характеризуются карликовым ростом и единичными цветками. При выращивании их на равнине, в поливных условиях, они приобретают крупные размеры, дают высокие урожаи семян и зеленой массы. Однолетние виды рода Medicago имеют высокую кормовую ценность (зеленый корм, сено, пастбищное использование) и фитомелиоративные свойства, перспективны для использования в качестве сидератов и мульчи, некоторые из них декоративны.
Однолетние виды рода Medicago представляют особый интерес для селекционно-генетических программ. Многие из них характеризуются ценными для селекции наследственными признаками: автофертильностью и автотриппингом, устойчивостью к насекомым-вредителям, антракнозу, засолению. Международный Совет по растительным генетическим ресурсам (IBPGR), который координирует коллекционирование, сохранение, документирование, оценку и использование растительной гермоплазмы, выпустил пособие для центров генетических ресурсов «Однолетние виды Medicago» (Descriptors..., 1991).
Большие трудности для изучения однолетних видов рода Medicago создает сложность определения некоторых видов и образцов и путаница в видовых названиях коллекционных образцов (Lesins, Lesins, 1979). Поэтому идентификация коллекционных образцов и работа с гербарием была необходимым и важным первоначальным этапом исследования.
Изучение генетических ресурсов однолетних видов рода Medicago предполагало исследование максимально полной коллекции образцов различного географического происхождения; сбор образцов семян мировой флоры и создание живой коллекции; изучение имеющейся во ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова коллекции; проверка правильности определения всех коллекционных образцов; создание матрицы морфологических признаков для политомического определительного ключа, выявление внутривидовой изменчивости.
Изучение генетических ресурсов — многоэтапный процесс, в котором особое место занимает исследование репродуктивной биологии. С практической стороны изучение процессов опыления и оплодотворения на широком эколого-географическом материале является базой практической селекции, что подчеркивалось Н.И. Вавиловым в 1932 году (цит. по: Вавилов, 1965). Различные аспекты репродуктивной сферы однолетних видов рода Medicago практически не исследованы, между тем эти данные важны в селекционном и теоретическом отношении.
Работа выполнена в соответствии с программой научных исследований кафедры ботаники и генетики растений Пермского государственного университета «Репродуктивная биология хозяйственно важных, редких и исчезающих растений», научный руководитель - д.б.н., профессор В.А. Верещагина, номер государственной регистрации - 0180103377. Исследования кафедры координировались Российской академией наук и являлись составной частью программы «Проблемы биологии и экологии; рациональное использование биологических ресурсов» по направлению «Проблемы изучения, охраны и рационального использования растительного мира». Комплексное изучение репродуктивной биологии видов рода Medicago началось в 1983 г. в сотрудничестве с коллегами из лаборатории эмбриологии (заведующая лабораторией д.б.н. Л.И. Орел) и Приаральской опытной станции ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова (директор д.б.н. Н.И. Дзюбенко). Сотрудники ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова изучали люцерну посевную, Н.Л. Колясникова - дикорастущие многолетние виды, наша работа посвящена изучению однолетних видов рода Medicago с перспективой последующего использования данных в селекционных программах (Верещагина, Колясникова, Новоселова, 2004).
Исследование однолетних видов - это часть изучения репродуктивной биологии видов рода Medicago. Однолетние виды рода Medicago - носители и доноры генов автофертильности, автотриппинга, самосовместимости и других ценных для селекции признаков. Эти исследования необходимы также для подтверждения эволюционных тенденций, проявляющихся в роде Medicago, для выявления закономерностей семенного размножения многих видов одного рода.
1.2. Цель и задачи работы.
Цель работы - исследование генетических ресурсов и репродуктивной биологии однолетних видов рода Medicago L. из секций Lupularia Ser., Orbiculares Urb., Hymenocarpos Ser., Spirocarpos Ser. (подсекции Intertextae (Urb.) Heyn, Pachyspireae (Urb.) Heyn, Rotatae (Urb.) Heyn, Leptospireae (Urb.) Heyn), перспективных для селекции предполагало решение ряда конкретных задач: - изучение генетических ресурсов однолетних видов рода Medicago: исследование максимально полной коллекции образцов различного географического происхождения; сбор образцов семян мировой флоры и создание живой коллекции; изучение коллекционных образцов из ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова; проверка правильности определения всех коллекционных образцов; создание матрицы морфологических признаков для политомического ключа для определения однолетних видов рода Medicago; изучение внутривидовой изменчивости; - изучение репродуктивной биологии однолетних видов рода Medicago:изучение особенностей цветения, опыления, плодообразования и семяобразования разных однолетних видов в сравнении с многолетними видами рода Medicago; проведение эмбриологического анализа развития пыльцы и зародышевых мешков, процесса оплодотворения, развития зародыша и эндосперма; оценку фертильности пыльцы и зародышевых мешков; — создание электронной базы данных и ее Интернет-версии «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae» и представление в ней полученных данных.
1.3. Научная новизна работы.
Впервые дана оценка генетических ресурсов однолетних видов рода Medicago. Составлена матрица морфологических признаков для политомического определительного ключа и исследованы внутривидовые таксоны 38 однолетних видов рода Medicago с использованием живой коллекции и гербарных материалов Ботанического института РАН (LE), Московского университета (MW), Оксфордского университета (OXF), Ботанического сада Кью (К) и Британского Музея (ВМ).
Впервые дана полная характеристика репродуктивной биологии однолетних видов рода Medicago из четырех секций на образцах различного географического происхождения.
Описано явление бутонной клейстогамии как механизма автогамии. Выявлено соотношение клейстогамных и хазмогамных цветков у разных видов и установлено, что изучаемые виды различаются по частоте встречаемости цветков с бутонной клейстогамией.
Впервые получена полная эмбриологическая картина развития пыльцы и зародышевых мешков, процесса оплодотворения, развития зародыша и эндосперма у однолетних видов рода Medicago. Определена фертильность мужского и женского гаметофитов с использованием различных методов; установлена высокая фертильность как пыльцы, так и семязачатков, что является предпосылкой высокой семенной продуктивности. Впервые изучены крахмальные зерна в зародышевых мешках однолетних видов рода Medicago и дана их классификация,
1.4. Теоретическая и практическая ценность работы.
Данные по цветению и опылению однолетних видов рода Medicago раскрывают тип и способ их опыления и закономерности, характеризующие этот процесс. Эти данные представляют интерес, как с теоретической, так и с практической стороны.
Опыление однолетних видов рода Medicago может служить примером появления адаптации, экологических по своему происхождению и закрепленных отбором в генотипе; это автогамия, включая бутонную клейстогамию, и автотриппинг. То и другое основывается на генетически обусловленной самосовместимости. Для многолетних же видов характерна самонесовместимость, преодоление которой до сих пор является для селекционеров трудной задачей. В пределах одного рода Medicago имеются две эволюционно различные стратегии размножения. Поэтому выявление конкретных механизмов, с помощью которых реализуется та или иная стратегия размножения, имеет несомненное теоретическое значение. Материалы эмбриологических исследований пополняют характеристику рода Medicago и могут быть использованы для целей селекции и систематики.
С практической стороны знание процессов опыления и оплодотворения необходимо для селекции. Практическое значение имеет проведенная идентификация коллекционных образцов однолетних видов рода Medicago и созданные на их основе коллекция плодов и гербарий, включающие около 480 образцов. Семена 60 образцов однолетних видов люцерны из коллекции Пермского государственного университета переданы на Приаральскую опытную станцию, 30 из них привлечены в коллекцию ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова. На Приаральскую опытную станцию переданы список идентифицированных коллекционных образцов однолетних видов, данные по цветению, фертильности пыльцы и семязачатков. 310 гербарных образцов однолетних видов рода Medicago переданы в Гербарий отдела интродукции ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова (WIR), в Гербарии ботанического сада Кью (К), Британского Музея (ВМ), ботанического сада Миссури (МО). Коллекции плодов однолетних видов рода Medicago используются в учебных курсах в Пермском государственном университете и Пермском государственном педагогическом университете. Препараты, микрофотографии, рисунки используются в спецкурсе «Эмбриология цветковых растений» в Пермском государственном университете.
Во ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова передан список 37 видов с указанием их распространения, образцы которых отсутствовали в коллекционном фонде однолетних видов рода Medicago,
Создана электронная база данных и ее Интернет-версия «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae» (адрес: http: // plant), в которую включены результаты исследований репродуктивной биологии однолетних видов рода Medicago. Ссылка на данный информационный ресурс включена в сайт проекта ILDIS (International legume database & information servise).
1.5. Положения., выдвигаемые для зашиты:
1. Однолетние виды рода Medicago (38) из секций Lupularia Ser., Orbicuiares Urb., Hymenocarpos Ser., Spirocarpos Ser, (подсекции Intertextae (Urb.) Heyn, Pachyspireae (Urb.) Heyn, Rotatae (Urb.) Heyn, Leptospireae (Urb.) Heyn) представляют собой гомологические ряды наследственных признаков, что отражено в матрице признаков для полигамического определительного ключа.
Однолетние виды рода Medicago отличаются характером цветения и опыления, самосовместимостью. Структуры цветка, обеспечивающие у многолетних видов ксеногамию, у однолетних видов не задействованы: триппинг, осуществляемый опылителями, заменен автотриппингом, ксеногамия заменена автогамией. Автогамия осуществляется либо путем автотриппинга в хазмогамных цветках, либо путем бутонной клейстогамии. Хазмогамные и клеистогамные цветки встречаются на одном растении и даже в одном соцветии; способность к бутонной клейстогамии у разных видов неравноценна.
Мужской и женский гаметофиты однолетних видов рода Medicago завершают свое развитие до раскрывания цветков; зрелая пыльца и начало образования пыльцевых трубок обнаруживаются в зеленых бутонах; зрелые зародышевые мешки регистрируются в окрашенных бутонах; почти совпадающий ритм развития пыльцы и зародышевых мешков является предпосылкой бутонной клейстогамии.
Высокая фертильность пыльцы, зародышевых мешков и последующая автогамия однолетних видов рода Medicago обеспечивают высокую семенную продуктивность, доказывая наличие самосовместимости.
Созданная электронная база данных «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae» и ее Интернет-версия содержит информацию об особенностях репродуктивной биологии однолетних видов рода Medicago.
1.6. Апробация работы.
Основные результаты исследований репродуктивной биологии, особенностей бутонной клейстогамии, вопросы систематического ранга однолетних видов рода Medicago, этапы создания Базы данных по репродуктивной биологии видов семейства Fabaceae докладывались более, чем на 20 научных конференциях, симпозиумах и совещаниях: на научных конференциях в Пермском государственном университете, на региональной конференции «Ботанические исследования на Урале» (г. Пермь, 1990), на I Всесоюзном научно-производственном семинаре «Бобовые кормовые растительные ресурсы - потенциал и использование» (г. Москва, 1991), на IX Всесоюзном совещании по семеноведению интродуцентов (г. Умань, 1991), на IV молодежной конференции ботаников Санкт-Петербурга (г. Санкт-Петербург, 1992), на VIII делегатском съезде Всесоюзного ботанического общества (г. Алма-Ата, 1988), на X съезде Русского ботанического общества «Проблемы ботаники на рубеже XX-XXI веков» (г. Санкт-Петербург, 1998), на XI съезде Русского ботанического общества «Ботанические исследования в азиатской России» (г. Новосибирск, г. Барнаул, 2003), на симпозиуме «Проблемы репродуктивной биологии растений» (г. Пермь, 1996), на 15 Международном конгрессе по репродуктивной биологии (Нидерланды, г. Вагенинген, 1998), на Международном симпозиуме «Информационно-поисковые системы в зоологии и ботанике» (г. Санкт-Петербург, 1999), на рабочем совещании «Проблемы создания ботанических баз данных» (г. Новосибирск, 2000), на Международном симпозиуме «Информационные системы по биоразыообразию видов и экосистем» (г. Санкт Петербург, 2003), на Всероссийской научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения проф. А.Д. Фурсаева «Флористические и геоботанические исследования в европейской России» (г. Саратов, 2000), на Международной конференции по фитоценологии и систематике высших растений, посвященной
100-летию со дня рождения А.А.Уранова (г. Москва, 2001), Международной конференции «Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты» (г. Сыктывкар, 2002), II Международной конференция по анатомии и морфологии растений (г. Санкт-Петербург, 2002), VI Всероссийском популяционном семинаре «Фундаментальные и прикладные проблемы популяциоиной биологии» (г. Нижний Тагил, 2002), на VII Всероссийском популяционном семинаре «Методы популяциоиной биологии» (г. Сыктывкар, 2004), на 25 Международной Конференции EUCARPIA по кормовым культурам и газонным травам и 15 Международной Конференции EUCARPIA по видам Medicago «Биоразнообразие и генетические ресурсы - основы для селекции будущего» (Чешская Республика, г. Брно, 2003).
1.7. Публикация результатов исследования.
Материалы исследования представлены в 45 опубликованных работах, из них 1 коллективная монография, 2 статьи в центральном рецензируемом журнале, 1 статья в коллективной энциклопедической монографии, 7 статей в региональных отечественных научных журналах, 2 статьи в зарубежной печати, 1 депонированная рукопись, 11 статей и 20 тезисов в сборниках материалов Международных симпозиумов, Всероссийских съездов, научных и научно-практических конференций и семинаров; имеется 1 электронная публикация, 1 электронная база данных и ее Интернет-версия «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae» (адрес: http: // plant). Доля участия в совместных публикациях составляет от 30 до 80%.
1.8. Личный вклад и достоверность полученных данных.
В диссертации изложены результаты двадцатилетних исследований генетических ресурсов и репродуктивной биологии однолетних видов рода Люцерна (Medicago L., Fabaceae). Исследована живая коллекция из 480 образцов однолетних видов различного географического происхождения в контрастных экологических условиях Предуралья и Приаралья.
В диссертацию вошли полевые и экспериментальные данные, полученные лично и в совместных экспедициях со студентами Пермского государственного университета под руководством автора при личном участии в сборе и обработке материала.
За период работы проведены наблюдения за растениями из дикорастущих ценопопуляций и на коллекционных участках, выполнено около 3000 фиксаций цветков, изготовлено более 8000 препаратов из завязей и 2000 препаратов из пыльников. Полученные в ходе исследования данные обработаны статистически и представлены в таблицах.
1.9. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы, содержащего 350 наименований, в том числе 90 на иностранных языках, и приложения. Работа изложена на 305 страницах, включает 22 таблицы, 23 рисунка и 187 микрофотографий.
Благодарности
Выражаю искреннюю благодарность и признательность моему Учителю - научному руководителю дипломной работы и диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук, научному консультанту диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук - д.б.н., профессору Валентине Александровне Верещагиной.
Приношу сердечную благодарность за доброжелательные советы и консультации сотрудникам ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова д.б.н., профессору Л.И. Орел, д.б.н., профессору М.А. Вишняковой, д.б.н., профессору Н.И. Дзюбенко, сотрудникам Ботанического института РАН д.б.н., профессору
О.П. Камелинок, к.б.н., со-директору проекта ILDIS Ю.Р. Роскову, Благодарна за консультации по вопросам систематики и поддержку при работе с гербарием д.б.н. Р.В. Камелину, д.б.н. И.Т. Васильченко (Ботанический институт РАН), д.б.н., В.Н. Тихомирову (МГУ), Dr. L. Rico (Ботанический сад Кью, Великобритания), С. Неуп (Тель-Авивский университет, Израиль), Е. Small (Центр биосистематических исследований, Канада).
Признательна к.б.н., доценту Пермского государственного университета В.А. Лыкову и научному сотруднику отдела кормовых культур ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова к.б.н. Н.Ю. Малышевой за определение насекомых-опылителей.
Особую благодарность выражаю соавторам публикаций - заведующей кафедрой ботаники и генетики Пермской государственной сельскохозяйственной академии им. Д.Н. Прянишникова к.б.н., доценту Н.Л. Колясниковои и А.В. Сивкову за участие в создании базы данных «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae». Благодарна преподавателям и сотрудникам кафедры ботаники и генетики растений Пермского государственного университета, со студенческих лет и до настоящего времени поддерживающих меня. Сердечно благодарю студентов кафедры ботаники и генетики растений Пермского государственного университета, принимавших участие в исследованиях в разные годы.
Методы исследований
Для изучения цветения и опыления однолетних видов рода Medicago использовали в качестве основы методику наблюдений А.Н. Пономарева (I960, 1975). Соцветия с бутонами и цветками, начавшими раскрывание, отмечали нумерованными этикетками рано утром. При наблюдениях не было вмешательства в жизнь соцветия, не удалялись опыленные в течение дня цветки, чтобы избежать искусственного триппинга цветков. В дни наблюдений каждый час отмечали состояние бутонов и цветков в соцветии в процессе их раскрывания, автотриппинг, закрывание после автотриппинга. Одновременно регистрировалась температура и относительная влажность воздуха с помощью психрометра Ассмана.
У однолетних видов однолетних видов рода Medicago опыленные и неопыленные цветки хорошо отличимы. В неопыленном цветке колонка (тычиночная трубка и заключенный в ней пестик) скрыта в лодочке. Такие цветки мы обозначали как раскрытые неопыленные. У опыленных цветков лодочка вскрыта, колонка прижата к парусу. Стремительное вскрывание цветка люцерны, когда колонка, как пружина, вскрывает лодочку и выскакивает, ударяясь о парус, называется триппингом. Для осуществления триппинга у цветков многолетних видов необходимо воздействие насекомого-опылителя. У однолетних видов преобладает автотриппинг, т.е. самопроизвольное вскрывание цветка.
Для люцерны посевной и других многолетних видов И.Д. Возным (1937), В.М. Нам (1971,1973) предложена классификация стадий развития цветка. Мы модифицировали эту классификацию для однолетних видов и выделили следующие стадии (рис.3.1): 0 - Зеленые бутоны ранние и поздние. Венчик полностью закрыт чашелистиками.
1 - Венчик ясно обозначился, но концы чашелистиков выше его.
II - Венчик и кончики чашелистиков на одном уровне.
III - Венчик выше чашелистиков на 1/4-1/3 их длины.
IV - Венчик выше чашелистиков на их полную длину.
V - Щелевидно раскрытый цветок.
VI - Полураскрытый цветок.
VII - Раскрытый нетриппингованный цветок.
VIII - Открытый триппингованный цветок.
IX - Полузакрытый цветок.
X - Закрытый цветок.
Насекомые-опылители, эпизодически посещающие цветки однолетних видов рода Medicago, отлавливались. Их определение проведено доцентом Пермского государственного университета, к.б.н. В.А. Лыковым и сотрудником отдела кормовых культур ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова к.б.н. Н.Ю. Малышевой.
При изучении плодообразования для изоляции использовали марлевые изоляторы с металлическими каркасами. Изолировалась часть растения (Иванов, Дзюбенко, Бухтеева, 1982).
Общее число семян в бобе, в том числе полноценных и щуплых, было учтено в созревших бобах. Данные обработаны статистически (Зайцев, 1984; Шмидт, 1984).
Для изучения развития мужской и женской генеративных сфер фиксировались бутоны I - IV стадий развития и цветки V - X стадий. Процесс двойного оплодотворения, эмбрио- и эндоспермогенез изучали на темпорально зафиксированных завязях через 4, 8, 16, 24, 32, 48, 72, 96, 120 часов после искусственного триппинга цветков. Искусственный триппинг цветков производили тонким пинцетом, осторожно надавливая на основание лодочки раскрытого цветка. Для фиксации использовали смесь 96 спирта и ледяной уксусной кислоты (3:1) и фиксатор Чемберлена. Проводка и парафинирование материала велись общепринятыми методами (Паушева, 1974). Микротомные парафиновые срезы толщиной 10-15 мкм окрашивались гематоксилином по Гейденгайну. Всего изготовлено и просмотрено 600 постоянных препаратов из более 5000 цветков.
Фертильность пыльцы определяли на временных препаратах, окрашенных ацетокармином (Паушева, 1974) и по Александеру (Alexander, 1969). Для приготовления одного препарата использовались пыльники из 10-15 цветков. Подсчет велся в 10 полях зрения. Изучено около 500 временных препаратов.
Фертильность семяпочек, наличие пыльцевых трубок в раскрытых нетриппингованных цветках, скорость роста пыльцевых трубок после искусственного триппинга цветков при темпоральной фиксации определяли с помощью люминесцентной микроскопии (Отбор растений ..., 1985; Фертильность семяпочек ..., 1986; Экспресс-методы ..., 1988; Вишнякова, 1989). В стерильных семяпочках каллоза, находящаяся в нуцеллусе, при взаимодействии с красителем анилиновым синим в УФ - свете дает желтовато-зеленое свечение. Фертильные семяпочки не светятся. Пыльцевые трубки светятся в УФ — свете из-за наличия в них каллозных пробок. С использованием этого метода исследовано более 1000 цветков.
Фертильность семяпочек определяли также по вычлененным целым зародышевым мешкам после обработки завязей этилсалицилатом и ацетокармином с использованием йодной реакции на крахмал (Определение уровня ..., 1983; Отбор растений.., 1985; Фертильность семяпочек..., 1986; Экспресс-методы..., 1988; Способ выделения..., 1991; Казачковская, Вишнякова, Орел, 1991). С помощью этого метода просмотрено более 2000 завязей. Сканирующая электронная микроскопия образцов пыльцевых зерен выполнена в Оксфордском университете.
Постоянные и временные препараты изучали и фотографировали с помощью микроскопов МБИ-6, «Люмам» на пленки «Микрат», «Фото», цифровой камерой с системой визуализации.
Однолетние виды рода Medicago L. в природе и в культуре
Однолетние виды рода Medicago обладают высокой степенью приспособления к изменению условий существования, они могут расти в различных экологических условиях: в трещинах скал, на маломощных почвах и даже на первичных продуктах выветривания горных пород, на обочинах дорог и опушках лесов, как сорняки среди культурных растений. В зависимости от условий местообитания они могут быть эдификаторами или компонентами различных растительных группировок предгорных и низкогорных районов. В Средней Азии особо выделяются разнообразием видов и форм однолетних видов рода Medicago и высокой степенью их участия в растительном покрове эфемеровый тип растительности и сухая разнотравно-пырейная степь (Абдуллажанов, 1970).
Однолетние виды рода Medicago в естественных горных условиях относятся к эфемерам и характеризуются карликовым ростом и лишь несколькими цветками. При выращивании их на равнине, в поливных условиях, они приобретают крупные размеры, дают высокие урожаи зеленой массы и семян (Ульянова, 1968; Жуковский, 1971; Белов, 1971; Хасанов, 1972; Виткус, 1977; Дзюбенко, 1983).
В список однолетних родичей люцерны посевной, культивируемых в качестве кормовых, О.П. Коровиной (1986) включено шесть видов: М. агаЫса (L.) Huds., М. denticulata Willd., М. lupulina L., М. orbicularis (L.) BartaL, M. rigidula (L.) All., M. truncatula Gaertn.
Однолетние виды рода Medicago обладают высокой кормовой ценностью (зеленый корм, сено, пастбищное использование) (Беляев, 1905; МсКее, 1934; Люцерна..., 1937, Советкина, 1938; Плешко, Пехачек, 1944; Гроссгейм, 1945; Синская, 1935, 1960, 1950; Васильченко, 1949, 1950; Васильченко, Ларин, 1951; Троицкий, 1951, 1953; Магомедов, 1955; Чернова, 1957; Расулова, 1958; Томмэ, 1964; Абдуллажанов, 1969, 1970; Хасанов, 1972; Медведев, 1973; Тарковский, 1974; Медведев, Сметанникова, 1981; Cocks, 1990 а, Ь), фитомелиоративными свойствами (Беляев, 1905; Васильченко, Ларин, 1951; Акулов, 1989); они перспективны, в качестве сидератов и мульчи (МсКее, 1934; Белов, Голодковский, 1936; Мизгирева, 1959); некоторые из них декоративны (Неуп, 1963; Медведев, Сметанникова, 1981); являются медоносами, их листья оказывают ранозаживляющее, диуретическое, гемостатическое действие (Денисова, Дорофеев, Зайцева, 1987).
В Западной Европе (Франции, Германии, Австрии, Англии), Австралии, Северной Америке давно оценено кормовое значение М. lupulina. Благодаря ценным хозяйственным свойствам, М. lupulina начинает культивироваться в Украине, Белоруссии, в России (Подмосковье, Ленинградская область), в уральском регионе пока не высевается (Овеснов, 1997; Степанова, Зятчина, 1999;Писковацкий, 1999).
М. lupulina представляет собой новую для растениеводства культуру, имеющую огромный хозяйственный потенциал: растет в разных природно-экологических зонах, хорошо поедается различными видами животных, характеризуется высоким качеством корма, устойчива к вытаптыванию и стравливанию скотом, быстро отрастает и в короткие сроки дает семена, переносит затемнение, обладает длительным периодом вегетации, нетребовательна к почве и повышает ее плодородие, в 2 укоса дает урожай 80-120 ц/га зеленого корма, 20-30 ц/га сена и 5-8 ц/га семян (Расулова, 1958; Круганова, 1959; Абдуллажанов, 1969; Ларин, 1957; Шишкин, 1964; Культиасов, Григорьева, 1978; Медведев, Сметанникова, 1981). А.А. Гроссгейм (1945) считает, что «к числу достоинств этого вида с кормовой точки зрения нужно причислить сравнительно большую величину листьев, значительную листовую массу, развиваемую отдельным экземпляром; слабое опушение; мелкие размеры и невооруженность плодов». При скармливании М. lupulina коровам молочные продукты приобретают хороший вкус и окраску, особенно ценным кормом она является для овец. Высокую кормовую ценность подтвердили Е.А. Круганова (1959) и А.А. Гроссгейм (1945). В зеленом корме белковых веществ (в %) - 4,3, в сене - 17,1; жиров - 0,9 и 3,25; безазотистых веществ - 6,7 и 32,0; клетчатки - 3,5 и 26,1; золы - 2,3 и 5,3 соответственно (Круганова, 1959). А.А. Гроссгейм во «Флоре СССР» (1945) приводит результаты анализа М. lupulina var. perennans Grossh. из Грузии: гигроскопической воды в ней содержится 11,60% воздушно-сухой массы, сырого протеина - 23,33% воздушно-сухой массы и 23,03 % абсолютно сухой массы, сырого жира - 2,87% и 3,25%, безазотистого экстрактивного вещества - 32, 06% и 36,28%, сырой клетчатки - 23,77% и 26,87%, золы - 9,34% и 10,57% соответственно. Содержание сырого протеина весьма высоко, даже выше, чем у диких форм М. sativa. Многодетность М, lupulina var. perennans является большим кормовым достоинством этой формы и, по мнению А.А. Гроссгейма (1945, 1952), в травяных смесях эту форму можно использовать в качестве отавного растения, а также рекомендовать подсевать var. perennans на местах с выбитым травостоем даже без предварительной обработки почвы. Таким образом, М. lupulina вне зависимости от жизненной формы может быть использована в условиях культуры и в качестве компонента пастбищных травосмесей, но большую ценность имеют двулетние и многолетние формы.
Введение в культуру сортов этого вида является весьма перспективным. Селекционная работа с М. lupulina впервые была начата во Всероссийском НИИ кормов в 1989 г., в 1999 г. в Государственный реестр селекционных достижений для использования в производстве был внесен первый российский сорт «МИРА» (Писковацкии, 1999). Успех интродукции новых видов кормовых растений и селекции во многом зависит от того, в какой мере вовлечено в процесс изучения, оценки и отбора всё внутривидовое разнообразие.
Актуальные вопросы в исследованиях репродуктивной биологии
Репродуктивная биология - это область ботаники, включающая всестороннее исследование процессов семенного размножения; в современной ботанике она является ключевой, так как изучает конкретные особенности процессов репродукции в различных таксонах и экологически дифференцированных группах растений на всех уровнях их организации. (Левина, 1981; Стартова, 1989; Терехин, 1988, 1993, 2000; Злобин, 2000 а, б, в, г).
Направление исследований в области цветения и опыления растений обсуждалось в работах А.Н. Пономарева (1968, 1969, 1970), в которых рассматривались предмет, задачи, методы антэкологии.
Вопросы исследований в сфере репродуктивной биологии очерчены Международной ассоциацией исследователей репродуктивной биологии растений (IASPRR) и являются предметом обсуждения на ее Международных конгрессах (International Congress on Plant Reproduction). Они объединены в три блока — развитие, регуляция, взаимодействие — и включают эмбриологическое и генетическое изучение развития цветка (вопросы эмбриологии и генетики), семязачатков и пыльцы, опыления, роста пыльцевых трубок, взаимодействия пыльцы и рыльца, явления несовместимости, оплодотворения in vivo и in vitro, развития зародыша и эндосперма, апомиксиса, вопросов биотехнологии и селекции. В программах Международных конгрессов IASPRR приоритетными являются различные проблемы в зависимости от научных достижений в той или иной области репродуктивной биологии.
Согласно Э.С. Терехину (2000), репродуктивная биология включает всестороннее исследование процессов репродукции в виде конкретных направлений исследований: антэкология, экологическая карпология, экологическая эмбриология, исследование тонких механизмов опыления (проблема самонесовместимости), генетический контроль развития цветка, генетическая инженерия гамет и зародышей, генетический контроль апомиксиса и генетический контроль развития гибридных семян.
В генетическом словаре по репродуктивной биологии (Репродуктивная биология..., 2004) дается следующее понимание данного термина: «Репродуктивная биология высших растений охватывает молекулярно-генетические процессы, протекающие внутри клеток: самоудвоение молекул ДНК, самоудвоение хромосом и внутриклеточных структур, цитологические и цитогенетические процессы репродукции клеток, цитоэмбриологшо и физиологию оплодотворения, эмбриогенез, эндоспермогенез, популяционно-генетические процессы, связанные с воспроизводством новых поколений растений».
Основное направление в развитии репродуктивной биологии — полное изучение вида с охватом всех этапов генеративного цикла от заложения генеративных почек и кончая семенным возобновлением. Существенны многие стороны исследования - установление степени лабильности отдельных этапов, сочетание различных способов и типов опыления, варьирование ритма плодоношения, эффективность диссеминации и комбинирование ее способов, варьирование экологии прорастания семян. Особого внимания заслуживает вопрос о количественных соотношениях и факторах разрыва между потенциальной и реальной семенной продуктивностью, между запасом семян в слое прорастания и числом всходов и числом ювенильных и генеративных особей. Репродуктивная биология вида складывается из размножения особей и возобновления популяции (Левина, 1981). Р.Е. Левина (1981) рекомендует несколько принципов выбора объектов исследования, в числе их виды со сходными и разными жизненными формами и хозяйственно-важные виды. Ю.А. Злобин (Злобин, 2000 а, б, в, г) обсуждает термины репродуктивное усилие, репродуктивный успех, потенциальная и реальная семенная продуктивность.
Репродукция - это процесс формирования структур, обеспечивающих размножение.
Репродуктивное усилие - это доля материально-энергетических ресурсов растения, направляемых на процесс репродукции. Репродуктивное усилие находят как долю, приходящуюся на репродуктивные органы, от общей фитомассы растения.
По Ю.А. Злобину (2000 г) репродукция растений включает 8 этапов, для каждого существуют свои основные параметры, которые могут использоваться как компоненты общей оценки репродуктивного успеха: фаза бутонизации -количество бутонов; фаза цветения — количество репродуктивной фитомассы, число цветков, репродуктивное усилие, общее число семязачатков; опыление и оплодотворение - фертильность пыльцы, количество пыльцы, поступающей на рыльца, число оплодотворенных семязачатков; фаза семеношения - количество репродуктивной фитомассы, сосредоточенной в диаспорах, число плодов и семян, всхожесть и жизнеспособность семян, гетероспермия; фаза дисперсии семян - количество семян, вступающих в дисперсию, агенты разноса и дальность разноса семян; покой семян - глубина покоя семян, возможность формирования почвенного банка семян и его размер; фаза прорастания семян -количество семян, сохранившихся к началу прорастания, количество семян, давших всходы; формирование всходов и проростков — количество всходов и проростков и их пространственное размещение. Репродуктивный успех на уровне жизни особей связан с плодовитостью растения, т.е. с количеством и качеством производимых растением диаспор. Мерой репродуктивного успеха являются общее число производимых семян, соотношение числа плодов и цветков или числа семян и семязачатков. Количественная оценка репродуктивного успеха включает 3 компонента репродукции: репродуктивное предложение - количество семязачатков и пыльцевых зерен; эффективность репродукции - отношение жизнеспособных пыльцевых зерен к общему их числу или как отношение числа вызревших семян к числу семязачатков; всхожесть семян. Эти показатели могут рассматриваться как характеристика репродуктивного успеха особей растений, и тогда они определяются в расчете на одну особь. Эти же показатели, вычисленные на единицу площади популяциониого поля или биоценоза, дают информацию о состоянии популяции и ее цеыотических и экосистемных связях.
Изучение репродукции цветковых растений в динамике привело к необходимости подразделения семенной продуктивности на 2 категории: потенциальную и реальную семенную продуктивность (Злобин, 2000 а, б). Потенциальной семенной продуктивностью называют максимально возможное количество семян, которое способно производить растение, популяция или фитоценоз за определенный промежуток времени при условии, что все заложенные в цветках семязачатки смогут сформировать зрелые семена. Реальной (фактической) семенной продуктивностью называют количество полноценных семян, производимое растением в расчете на одну особь. Размер потенциальной семенной продуктивности контролируется 4 группами факторов: генетическими, которые определяют верхний предел возможной плодовитости растения; физиологическими, которые включают возрастное и жизненное состояние особей; экологическими, в число которых входят ресурсы и условия среды обитания растений; ценотическими, охватывающими сферу сообитания растений со всеми живыми организмами сообщества. Реальная семенная продуктивность характеризует плодовитость особей растений, а урожайность семян - плодовитость популяций. Число семян, производимых растением, варьирует больше, чем вес семян. Реальная семенная продуктивность варьирует сильнее, чем потенциальная. Число формирующихся семян зависит от большого числа факторов, среди которых важное значение придается достаточности опыления. Развитие оплодотворенных семязачатков в дальнейшем определяется количеством ресурсов, которые материнская особь может направить на их формирование. Для более полной характеристики репродуктивного процесса растений используют коэффициент продуктивности Krip, равный отношению реальной семенной продуктивности к потенциальной и выраженный в процентах (Левина, 1981) и коэффициент семинификации (Вайнагий, 1990). На уровне отдельной особи растений выделяются 6 основных форм неоднородности семян: количественная, проявляющаяся в несходстве семян по размеру; структурная, включающая форму, окраску и другие морфолого-анатомические особенности семян; биофизическая; биохимическая; физиологическая; экологическая.
Структура полей базы данных
В 1999 году ILDIS (International legume database & information servise) одобрил начало работ в Пермском государственном университете по созданию базы данных «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae» и подтвердил заинтересованность в пополнении информационных ресурсов семейства Fabaceae данными о репродуктивной биологии. ILDIS включил ссылку на ресурсы в сайт проекта после публикации базы данных «Репродуктивная биология видов семейства Fabaceae» в Интернете (адрес: HTTP://www.psu.ru/db plant).
В настоящее время основные ,разделы Web-сервера: описание данного проекта, описание полей, база данных по репродуктивной биологии видов семейства Fabaceae, иллюстрации, литература, тематический список ресурсов сети Интернет, виртуальная конференция и контактная информация (Верещагина, Колясникова, Новоселова, 2002; Интернет-версия..., 2003; Интернет-ресурсы..., 2003; The Internet resources..., 2003; The Internet resources..., CD-Rom,2003)
Разработана детальная структура полей (Верещагина, Новоселова, 2000; База данных..., 1999, 2000). Поля базы данных: номенклатура; эмбриологические признаки: пыльник: - развитие стенки пыльника, характеристика эпидермиса, характеристика эндотеция, характеристика тапетума, характеристика образования микроспор, характеристика пыльцы; семязачаток - число семязачатков, характеристика типа семязачатков5 число интегументов, состояние нуцеллуса; зародышевый мешок; опыление и оплодотворение, характеристика типа и способа опыления; особенности строения рылец и столбиков; взаимодействие пыльца - рыльце, пыльцевые трубки - пестик; тип оплодотворения; типы зародыша в раннем эмбриогенезе; характеристика эндосперма; сведения об апомиксисе и дополнительные сведения.
По каждому виду после названия следует характеристика развития цветка, включающая особенности развития пыльника, пыльцы, семязачатка, зародышевого мешка, двойного оплодотворения, зародыша и эндосперма (рис. 5.1-8).
Характеристика пыльника включает описание строения и формирования и развития стенки пыльника и пыльцы. Сформированная стенка гнезда пыльника состоит из эпидермиса, эндотеция, 2-4 средних слоев и тапетума. Стенка зрелого пыльника состоит из эпидермиса, эндотеция, тапетума.
Формирование и развитие гнезда стенки пыльника
Основной тип. В наружном и внутреннем вторичных париетальных слоях клетки делятся периклинально, при этом образуются эндотеций, два средних слоя и тапетум.
Тип двудольных. Наружный вторичный париетальный слой делится, давая начало эндотецию и среднему слою, внутренний париетальный слой выполняет функцию тапетума.
Тип однодольных. Деление внутреннего вторичного париетального слоя идет с образованием среднего слоя и тапетума. Эндотеций формируется из наружного париетального слоя.
Редуцированный тип. Наружный и внутренний вторичные париетальные слои трансформируются в эндотеций и тапетум; средний слой отсутствует. Эпидермис Эпидермис без изменений - в процессе роста пыльника клетки эпидермиса сохраняются без изменений. Эпидермис плоский - в процессе роста пыльника клетки эпидермиса 197 растягиваются, уплощаются. Эпидермиса нет - в процессе роста пыльника клетки эпидермиса слущиваются, сбрасываются, утрачиваются. Эндотеций Эпдотеций с фиброзными утолщениями — возможны различные структурные вариации. Эпдотеций без фиброзных утолщений. Число средних слоев 0 (нет среднего слоя), 1, 2...П Тапетум Тапетум клеточный, секреторный, одноядерный. Тапетум клеточный, секреторный, дву-, многоядерный. Тапетум периплазмодиалъный. Дополнительные сведения — ложный периплазмодий, амебоидный тапетум и др. Микроспорогенез. Микроспоры Возможны 2 типа образования: Симультанный тип - первое деление мейоза не сопровождается цитокинезом, тетрада микроспор образуется одновременно после второго деления мейоза. Сукцессивный тип - последовательное образование микроспор: после первого деления мейоза образуется диада клеток, после второго - тетрада клеток. Дополнительные сведения - нарушения образования микроспор вследствие аномалий мейоза. Пыльцевые зерна Пыльцевые зерна двухклеточные - пыльцевое зерно содержит вегетативную и генеративную клетки. Пыльцевые зерна трехклеточные - пыльцевое зерно содержит вегетативную клетку и два спермия, образующихся из генеративной клетки. 198 Дополнительные сведения - наличие форм с мужской стерильностью, показатели фертильности пыльцы. Семязачаток Характеристика семязачатка включает тип семязачатка, число интегумеитов, степень развития нуцеллуса ко времени образования зародышевого мешка, его тип, строение зрелого зародышевого мешка, Число семязачатков Характеризуется цифрами -1,2,3 ...п Типы семязачатков Атропный (ортотропный), или прямой семязачаток; радиально-симметричный семязачаток, расположенный перпендикулярно плаценте. Фуникулус, халаза, ось нуцеллуса и микропиле лежат на одной прямой. Анатропный, или обращенный семязачаток; микропиле обращено в сторону плаценты, ось семязачатка располагается параллельно удлиненной семяножке, микропиле — близ места ее прикрепления.
Гемитропный, или полуобращенный семязачаток; повернут на 90 по отношению к плаценте.
Кампияотропный, или полусогнутый семязачаток; интегументы и мегаспорангий односторонне изогнуты.
Амфитропный, или двусторонне изогнутый семязачаток.
