Содержание к диссертации
Введение
I.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7-29
1.1. Полиплоидия и ее роль в эволюции растений 7-II
1.2. Развитие и достижения экспериментальной полиплоидии 11-22
1.3. Индицирование полипоидов конопли 22-29
2. МАТЕРИАЛ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 30-44
2.1. Методика колхищнирования конопли 30-35
2.2. Методика отбора тетраплоидов 35-39
2.3. Исследование отдельных признаков и свойств полипоидов 39-44
3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ КОЛХИЩНИРОВАИШ ОДНОДОМНОЙ КОНОПЛИ 45-67
3.1. Обработка семян конопли колхицином 45-52
3.2. Обработка проростков конопли колхицином . 52-54
3.3. Капельный метод воздействия колхицином 55-60
3.4. Обработка конопли колхицином методом погружешш надземной части растения в раствор 60-63
3.5. Колхицинирование конопли методом инъекции 63-67
4. ШКОЛОШЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕТРА-
ПЛОИДНОЙ ОДНОДОМНОЙ КОНОПЛИ 68-135
4.1. Основные стенотипические признаки и их изменчивость 68-93
4.2. Рост и развитие 93-98
4.3. Особенности микроспорогенеза и жизнеспособность пыльцы 99-111
4.4. Особенности проявления пола Ill—122
4.5. Скрещивание разноплоидньїх растений копоши. Получение трпплоидов и ыеыотических аутотет-раплоидов І23-ІЗЇ
5. ХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕТРАШЮїїДНОЛ ОДНОДЫЮЙ КОНОПЛИ ІЗІ-І44
5.1. Продуктивность экспериментальных тетраплоидов однодомной конопли ІЗІ-І37
5.2. Устойчивость к осыпанию семян 137-140
5.3. Содержание каннабиноидных веществ 140-144
ВЫВОДЫ 144-146
РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ 147
ЛИТЕРАТУРА 148-164
ПРИЛОЖЕНИЯ Ї64-І76
- Полиплоидия и ее роль в эволюции растений
- Методика колхищнирования конопли
- Обработка семян конопли колхицином
- Основные стенотипические признаки и их изменчивость
- Продуктивность экспериментальных тетраплоидов однодомной конопли
Введение к работе
Одной из актуальных задач современной селекции, в значительной степени определявшей эффективность ее конечных результатов, является постоянный поиск и вовлечение в селекционный процесс новых перспективных исходных форм. С этой целью все чаще стали прибегать к методам их искусственного получения, одним из которых является экспериментальная полиплоидия. Заметный сдвиг в этой области был достигнут после опубликования работ А.Блексли и А.Эйвери/^ JBBl&es&e cuid Л-foety, Ш7/ до индуцированию искусственных полиплоидов с помощью колхицина.
На основе применения колхицина селекционерами получены полиплоидные формы зерновых, технических, овощных, плодовых, ягодных, древесных, лекарственных и декоративных растений, многие из которых использованы для создания новых сортов и гибридов.
Успехи экспериментальной полиплоидии привлекли внимание исследователей, работавших с коноплей /В.А.Рыбин, 1939, 1941; А.П.Бреславец, 1963; «Of UHchetit- &C&CS , I960, 1965 и других/. Получив тетраплоидные формы растений двудомной конопли, они выявили у них ряд положительных качеств по сравнению с диплоидными: крупносемянность, увеличение высоты растений в первом поколении, тенденцию к одновременному цветению мужских и женских растений, разнообразие половых форм, включая однодомные.
Однако экспериментальная полиплоидия затронула в основном двудомную коноплю. О влиянии же полиплоидизации на однодомную форму конопли, отличающуюся от двудомной целым рядом биологических особенностей, сведений в литературе почти не имеется. В связи с этим постановка исследований с целью экспериментального получения тетраплоидных форм однодомной конопли и их использова- ния в селекции в качестве исходного материала представляет не только научный, но и практический интерес.
Как известно, за последние годы в коноплеводстве произошли существенные изменения, вызванные повсеместным переходом к возделыванию сортов однодомной конопли. Преимущество последних по сравнению с двудомными заключается в одновременном созревании растений, позволяющее полностью механизировать процесс уборки. Однако существующие сорта однодомной конопли обладают и рядом существенных недостатков, в числе которых - повышенная осыпаемость семян и неустойчивость признака однодомности. Последний на диплоидном уровне закрепить пока не удалось. Это в значительной степени услошшет ведение семеноводства, поскольку для поддержания необходимой сортовой типичности в процессе воспроизводства семян необходимо ежегодно проводить многократные сорто-прочистки, выполняющиеся вручную.
Исходя из вышеизложенных проблем, нами была поставлена задача: экспериментальным путем получить полиплоидные формы однодомной конопли, исследовать их основные биологические признаки и свойства с целью выявления положительных качеств для использования в селекции на последующем этапе работ.
Программой исследований предусматривалось выполнить следующее:
I) индуцировать тетраллоиды однодомной конопли с помощью колхицина и определить наиболее эффективные методы обработки растений; отработать методические приемы идентификации и отбора ауто те траплоидов; исследовать влияние полиплоидии на проявление морфологических, цитологических и анатомических признаков однодомных растений конопли; изучить биологические особенности тетраплоидной однодомной конопли: рост и развитие, особенности микроспорогенеза и проявления шла, возможность скрещивания с-диплоидной формой; получить триплоиды и использовать их для валентных скрещиваний; произвести предварительную оценку хозяйственно ценных качеств однодомной конопли на тетраплоидном уровне.
Конечная цель исследований заключалась в установлении возможности практического использования экспериментально полученных аутотетраплоидных форм однодомной конопли в селекционных целях.
Полиплоидия и ее роль в эволюции растений
Явление увеличения числа хромосом путем спонтанного или экспериментального добавления целых хромосомных наборов принято называть полиплоидией, а полученные при этом растения - полиплоидами. В результате кратного увеличения наборов хромосом одного вида возникли аутополиплоиды (эуплоиды), а при объединении хромосомных наборов различных видов или родов - аллополиплоиды. Во втором случае обычно происходит скрещивание видов между собой (отдаленная гибридизация) с одновременным удвоением гаплоидных наборов хромосом исходных форм.
Многие виды растений, относящиеся к одному и тому же роду, образуют целые полиплоидные ряды. Это явление характерно для ряда культурных растений. Например, мягкая пшеница (ybcvtCiini СіЄ$МІ?им) имеет самое большое число хромосом в роде - 42, тогда как двузернянка ( У&еісит сися earn ), и твердая пшеница ( outturn ) имеют по 28 хромосом, а однозернянка (чК топося&иип ) всего лидц, 14 хромосом. Исходным считается наименьшее гаплоидное число хромосом в полиплоидном ряду, обозначаемое буквой "х" (в нашем примере х = 7).
В случае изменения числа хромосом, не кратном гаплоидному, образуются анеуплоиды. Они называются еще несбалансированными полиплоидами, поскольку в их наборе нет одной или нескольких хромосом (гипоплоиды) или они имеют одну и более добавочных хромосом (гиперплоиды).
Исследуя многочисленные эволюционные преобразования растительных организмов, биологи установили существенную роль полиплоидии в их видообразовании / М.А.Розанова, 1946; Л.П.Бресла-вец, 1963; ЇЇ.М.Іуковский, 1965, 1972; В.К.Щербаков, 1970; Р.Е.Крогулевич, 1972; В.ЇЇ.Зосимович, 1874/. При этом выяснен механизм образования естественных полиплоидов.
Еше в 1917 г. Винге /щт. по Л.П.Бреславец, 1963/ сформулировал теорию, согласно которой полиплоидные ряды во зниклії в природе посредством межвидовой табридизации и удвоения числа хромосом скрещивающихся видов на стадии оплодотворенной яйцеклетки или молодого зародыша. Правильность этой теории подтвердил А.Мюнтцинг (1967), который не исключал и другой путь полиплоидизащш межвидовых гибридов - образование гибридом первого поколения нередуцированных гамет, давших начало алло-полиплоидным хзастениям во втором поколении.
Методика колхищнирования конопли
Перевод однодомной конопли на тетраплоидный, 40 - хромосомный, уровень осуществляли колхицином производства Германской
Обработка семян. Семена колхищшировали непосредственно перед посевом. Для этого их помешали в чашки Петри с растворами колхицина определенных концентраций и выдерживали в течение заданной экспозиции при температуре 2І-22С в термостате. В вариантах, где семена обрабатывали набухшими, их предварительно помещали в такие же чашки с влажной фильтровальной бумагой на сутки. Обработанные колхицином семена хорошо промывали водопроводной водой и высевали в вегетационные сосуды.
Обработка проростков. Семена конопли проращивали в чашках Петри на влажной подстилке (фильтровальной бумаге или вате) при температуре 25С. Через трое суток, когда проростки имели корешки длиной 3-4 см, приступали к обработке колхицином. С этой целью их погружали в раствор только верхушечной (семядольной) частью, как рекомендуют И.Вихерт-Кобус /Х HHcA&zrf &fctS , I960/, А.И.Жатов, Н.Д.Мигаль и В.М.Коваленко (1969). В этом случае корешки прямого контакта с колхицином не имели.
Наиболее удобным оказалось обрабатывать проростки в стеклянных стаканчиках диаметром 20 мм, в которых они удерживались вертикально без дополнительных приспособлений. Во время колхи-цинирования корешки накрывали влажной фильтровальной бумагой или марлей, чтобы не допустить их подсыхания. Обработанные проростки хорошо промывали водой и высаживали в вегетационные сосуды (под колышек). Чтобы растения быстрее приживались, в солнечные дни их затеняли одним-двумя слоями марли.
Капельный метод обработки.Обработку конопли этим методом проводили путем ежедневного нанесения капель растворов колхицина пипеткой на апикальную точку роста растения, начиная с появления первой пары настоящих листьев и заканчивая образованием характерных колхициноморфозов. Чтобы капли меньше испарялись, обработку проводили в вечернее время после 18-19 часов.
Кроме чистых водных растворов, применяли также растворы с добавлением агар-агара в количестве 0,5%, капли которых лучше удерживались и меньше испарялись.
Продолжительность обработки капельным методом в зависимости от концентрации колхицина была в пределах 6-12 дней.
Погружение надземной части в раствор колхицина. Посев конопли проводили в сосуды размером 10x10x10 см, изготовленные из пергаментной бумаги в два слоя и заполненные почвой. Обработку колхицином проводили в фазе трех пар настоящих листьев. В каждом сосуде обработке подвергали 3-4 наиболее развитых растений, остальные удаляли. Перед обработкой растения поливали и надрезали у них на 1/3 доли листьев для лучшего проникновения колхицина. После этого сосуды располагали вверх дном на специально изготовленной доске с боковыми вырезами таким образом, чтобы растения через них свободно проходили и погружались в раствор колхицина, налитый в поставленные под доской стеклянные стаканы или цилиндры (рис.1). Контрольные растения погружали в чистую воду.
Рис.1. Обработка растений конопли колхицином путем
погружения надземной части в раствор По истечении времени заданном экспозиции сосуды снимали, растения промывали водой и ставили на 3-4 дня в затененное место, чтобы они окрепли. После этого их пересаживали в открытый грунт с комом земли. В таком случае они хорошо приживались.
Метод инъекции. На конопле был применен впервые. Раствор колхицина вводили в среднюю часть стебля с помощью медицинского шприца. Доза раствора на одно растение: в фазу трех пар листьев - 0,3 мл, в пять пар листьев и перед бутонизацией -0,5 мл.
Колхицинированные растения выращивали в вегетационном домике в жестяных сосудах диаметром 22 и высотой 24 см. Их набивали смесью почвы, песка и минеральных удобрений из расчета на один сосуд: черноземной почвы 7,5 кг, песка 1,5 кг, аммиачной селитры 4,7 г, суперфосфата 6,1 г и калийной соли 40-про-центне-й -2,5 г (по методике лаборатории агрохимии и физиологии растений ВНИИЖ).
По каждому вегетационному опыту были заложены контрольные варианты - без обработки колхицином. В период вегетации за колхицинированными растениями проводили тщательный уход и наблюдения. Особое внимание обращали на своевременное удаление неизмененных боковых побегов у растений, обработанных капельным методом и методом погружения.
Обработка семян конопли колхицином
Исследования показали, что воздействие колхицином на семена однодомной конопли приводит к значительному снижению их всхожести. При этом наблюдается следующая закономерность: чем выше концентрация колхицина и продолжительнее его воздействие, тем больше потеря всхожести семян (табл.1).
Полученные данные свидетельствуют о том, что при обработке сухих семян ингибируюшее действие колхицина в большей степени усиливается за счет повышения экспозиции, чем от увеличения концентрации раствора. Объясняется такое несоответствие тем,что сухие семена за короткое время поглощают значительно меньше колхицина, причем далее в том случае, если его концентрация высокая. В подтверждение этого достаточно сравнить два варианта: обработку 0,5- процентным раствором в течение 12 часов и 0,05-процентным раствором в течение 48 часов (концентрация слабее в 10 раз). В первом случае всхожесть семян снизилась до 80,6$, а во втором - до 40$, то есть значительно больше.
Еще более ощутимым было токсическое действие колхицина на предварительно заглоченные в воде семена, о чем свидетельствуют уже приведенные данные. Так, например, обработанные в течение 12 часов 0,5- процентным раствором набухшие семена имели всхожесть 12,5$, а сухие семена при таком же режиме колхицинирова-ния - 80,6$.
class4 ШКОЛОШЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕТРА-
ПЛОИДНОЙ ОДНОДОМНОЙ КОНОПЛИ class4
Основные стенотипические признаки и их изменчивость
В результате проведенных нами исследований выявлено, что перевод однодомной конопли на тетраплоидный уровень сопровождается определенными изменениями фенотипических признаков исходной формы, затрагивающих как внутреннее, так и внешнее строение тканей и органов растения. При этом увеличиваются размеры клеток, число хромосом в ядрах соматических клеток удваивается и становится равным 40, против 20 у исходной диплоидной формы (рис. 12, 13).
У тетрашюидной формы однодомной конопли по сравнению с диплоидной существенно увеличиваются размеры устьичных клеток (рис.14, 15) и пыльцевых зерен (рис.16, 17); заметно изменяется количество устьиц, приходяшэеся на единицу поверхности листа, число хлоропластов в эпидермальных (рис.18, 19) клетках, а также количество проростковых пор в экзине диплоидных пыльцевых зерен (табл.7).
Приведенные данные показывают, что тетраплоидная однодомная конопля имеет довольно крупные устьица. В сравнении с исходной формой их длина больше на 41,1$, а ширина - на 29,9%. Число же устьиц на единице поверхности листа в результате поли-плоидизации
Продуктивность экспериментальных тетраплоидов однодомной конопли
С целью установления влияния полиплоидии на изменчивость хозяйственно ценных признаков и свойств однодомной конопли экспериментально полученную тетраплоиднуто форму высевали в контрольном питомнике, где она сравнивалась с исходной диплоидной. Основными показателями, по которым проводилась оценка, были урожайность стеблей, волокна и семян, а также выход волокна. По указанным показателям получены следующие результаты (табл.19).
Приведенные данные показывают, что тетраплоидная форма сорта несколько уступает диплоидной по урожайности стеблей и волокна (в среднем на 9-10$), поскольку имеет ниже показатели общей и технической длины стебля (см.табл.8). По выходу волокна из соломы во все годы исследований изучаемые формы почти не различались.
Наиболее существенно тетраплоидная однодомная конопля отстает от исходной формы по семенной продуктивности. В среднем за три года показатель урожайности семян был ниже на 45$.
Результаты хозяйственной оценки тетраплоидной и диплоидной форм однодомной конопли сорта ЮС0-І в контрольном питомнике
По заключению ряда исследователей /А.Е.ІЇебрак, 1963; Л.Н.Лутков, Е.П.Раджабли, І968; Н.В.Турбин, 1972; И.А.Шевцов, 1976/ основными причинами снижения плодовитости аутотетраплои-дов, особенно в первых ПОКОЛЄІШЯХ, являются нарушения в прохождении споро- и гаметогенеза, приводящие к стерильности гамет или их пониженной жизнеспособности, а также образование в процессе оплодотворения наряду с эуплоидами низкопродуктивных анеуплоидов. Аналогичные явленім при переводе на тетраплоиднни уровень возникают и у конопли, о чем было изложено нами выше.
Однако, как показали дальнейшие исследования, такие селекционные признаки тетраплоидной однодомной конопли, как масса стебля и содержание в нем волокна, можно улучшить путем отбора. Об этом свидетельствуют данные, представленные табл.20.
