24 На правах рукописи ЕЛТЫШЕВА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА

Cписок публикаций по теме диссертации
- в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Елтышева, И.В. Репродуктивная биология козлятника восточного
сорта Гале / Н.Л. Колясникова, И.В. Елтышева // Труды Кубанского
государственного аграрного университета. - Краснодар, 2010. №2 С. 130 - 132.
2. Елтышева, И.В. Цветение, опыление и семенная продуктивность
Galega orientalis Lam. / Н.Л. Колясникова, И.В. Елтышева //
Аграрный вестник Урала. – Екатеринбург, 2010. №8 (74). − С. 39 40.
- в других изданиях:
3. Елтышева, И.В. Изучение фертильности пыльцевых зёрен и
семязачатков Galega orientalis Lam. / И.В. Елтышева // Пермский
аграрный вестник: Матер. LXIII науч. конф. асп. и студ. Вып. XII. –
Пермь, 2004. - С. 70 - 72.
4. Елтышева, И.В. Потенциальная и реальная семенная продуктивность
козлятника восточного сорта Гале (Galega orientalis Lam., Fabaceae) в
зависимости от возраста растений / И.В. Елтышева, Н.Л.
Колясникова // Вест. Перм. ун-та. Вып. 6. - Пермь, 2005. - С.50-52.
5. Елтышева, И.В. Потенциал плодообразования Galega orientalis Lam. 2
и 3 года жизни и его реализация / Н.Л. Колясникова, И.В. Елтышева
// Молодые учёные в XXI веке: Матер. всеросс. науч.-практ. конф.
мол. учёных и специалистов. - Ижевск, 2005. - Т. II. - С. 27 - 29.
6. Eлтышева, И.В. Оценка реализации репродуктивного потенциала
козлятника восточного 2-4 года жизни / И.В. Елтышева // Особь и
популяция – стратегии жизни: IX Всеросс. популяционный семинар.
- Уфа, 2006. - Ч.1. - С. 71-76.
7. Елтышева, И.В. Репродуктивная биология козлятника восточного /
Н.Л. Колясникова, И.В. Елтышева, Л.В. Новосёлова //
Инновационные научные решения – основа модернизации аграрной
экономики: Матер. всеросс. науч.-практ. конф. - Пермь, 2011. - Ч.1. С. 26-30.
На правах рукописи
ЕЛТЫШЕВА ИРИНА ВАЛЕРЬЕВНА
РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ
КОЗЛЯТНИКА ВОСТОЧНОГО
(Galega orientalis Lam. )
НА ПРИМЕРЕ СОРТА ГАЛЕ
03.02.01 – ботаника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
24
Пермь – 2011
Работа выполнена на кафедре ботаники и генетики ФГБОУ ВПО
«Пермская государственная сельскохозяйственная академия»
4.
Научный руководитель:
доктор биологических наук,
доцент Колясникова Надежда Леонидовна
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук,
профессор Шамров Иван Иванович
5.
кандидат биологических наук,
доцент Зимницкая Светлана Анатольевна
Ведущая организация:
Всероссийский научно-исследовательский
институт растениеводства им. Н.И. Вавилова
6.
Защита диссертации состоится «8» декабря 2011 г. в 1515 часов на
заседании диссертационного совета Д 212.189.02 при Пермском
государственном национальном исследовательском университете по адресу:
614990, г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15, зал заседаний Учёного совета.
7.
Адрес сайта: http://www.psu.ru
E-mail: novoselova@psu.ru
Факс: (342) 237-16-11
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского
государственного национального исследовательского университета
развития зародышевого мешка, нуклеарный эндосперм на ранней
стадии развития зародыша.
Фертильность мужской и женской генеративной сферы козлятника
восточного сорта Гале достаточно высока. Фертильность пыльцевых
зёрен составила в среднем более 90 %, семязачатков – в среднем
более 80 %. Различия в значениях процента фертильности пыльцы и
семязачатков растений разного возраста и побегов различного
порядка не обнаружены.
Выявлены высокие показатели семенной продуктивности
козлятника восточного сорта Гале: достаточно большое число
генеративных побегов, соцветий, цветков на элемент парциального
куста, число семязачатков в завязи. В структуре урожайности семян
наиболее зависящими от климатических условий являются
показатели: число генеративных побегов на растение, число
соцветий на побег, число цветков и плодов на соцветие, число семян
на боб.
Показатели семенной продуктивности козлятника восточного сорта
Гале варьируют с возрастом растений. Потенциальная семенная
продуктивность значительно превышает реальную, показателем чего
является коэффициент семенификации, максимально составлявший
в условиях учхоза ПГСХА «Липовая гора» 30,2 % (в среднем по
годам) для побегов I-го порядка растений 3-го года жизни.
Причинами снижения реальной семенной продуктивности
козлятника восточного сорта Гале являются: стерилизация
семязачатков и пыльцы до опыления; потери цветков, бутонов и
зелёных плодов, вызванные недостатком опылителей и осыпанием
неопылённых цветков, недостаточным обеспечением питательными
веществами, повреждением насекомыми-фитофагами.
Рекомендации производству
Для сбора наибольшего урожая семян рекомендуем растения
козлятника восточного сорта Гале 3-го и 4-го годов жизни, т.к. они
имеют максимальные значения реальной семенной продуктивности.
Растения 1-го, 2-го, 5-го годов жизни лучше использовать для
получения зеленой массы.
Автореферат разослан «7» ноября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.189.02
Л.В. Новоселова
доктор биологических наук, доцент
2
23
Таблица 2
Средние значения коэффициента семенификации растений
козлятника восточного сорта Гале 2-го – 5-го годов жизни, %
Возраст растений,
год жизни
2-ой
3-ий
4 -ый
5 -ый
Побеги I
порядка
26,6
30,2
19,5
13,8
КС, %
Побеги II
порядка
25,4
20,6
19,3
12,5
Побеги III
порядка
11,5
16,0
7,8
Таким образом, существенной причиной снижения семенной
продуктивности козлятника восточного сорта Гале является недостаток
опылителей.
Анализируя значения коэффициентов семенификации разных видов
кормовых растений, следует отметить, что козлятник восточный сорта Гале
в условиях Предуралья не уступает по степени реализации репродуктивного
потенциала.
1.
2.
3.
Выводы
Растения козлятника восточного сорта Гале характеризуются
строгим постоянством суточных сроков цветения, начало которого
осуществляется в температурных границах 7 - 18 °С. Раскрывание
цветков происходит в широком диапазоне температур (от 6 °С до
33°С) и относительной влажности воздуха (от 50 % до 100 %).
Оптимальные условия цветения - температура 21 - 26 °С и
относительная влажность воздуха 50 - 90 %.
Козлятник восточный сорта Гале характеризуется комплексом
признаков, обеспечивающих аутбридинг и энтомофилию: большие
размеры цветка, сине-фиолетовая окраска венчика, большое число
семязачатков в завязи, цветков в соцветии, соцветий на побег;
триппинг как механизм опыления. Процент завязывания плодов
после свободного опыленеия составил от 49,72 до 71,63. Процент
факультативного самоопыления колебался от 1,36 до 6,18.
Эмбриологические признаки козлятника восточного типичны как
для представителя семейства Fabaceae: двудольный тип развития
стенки пыльника, двухклеточные зрелые пыльцевые зерна,
кампилотропные, двупокровные семязачатки, Polygonum - тип
22
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Главнейшей задачей сельскохозяйственного
производства России является увеличение производства кормов, улучшение
их качества и энергонасыщенности для создания прочной кормовой базы
животноводства.
Обеспеченность животноводства кормами составляет 60-70%
годовой потребности. Недостаток высококачественных растительных
кормов не позволяет сбалансировать рационы животных по энергии и
протеину, вследствие чего генетический потенциал их продуктивности
используется только на 30-60% (Надежкин, 2001).
Одной из культур, которая может стать дополнительным источником
увеличения производства дешёвых, энергонасыщенных и высокобелковых
кормов, является козлятник восточный.
Исследования показали, что козлятник восточный помимо того, что
обладает комплексом хозяйственно-полезных признаков: высокой
продуктивностью и полноценностью с точки зрения кормления животных;
характеризуется высокой экологической пластичностью, адаптивностью,
рационально использует агроклиматические условия, повышает плодородие
почвы, служит хорошим медоносом.
Кормовые, технологические и агроэкологические качества
козлятника восточного дают ему значительный приоритет по сравнению с
целым рядом многолетних бобовых трав и кормовых культур
высокобелкового типа. На основе этого доказана высокая экономическая
эффективность использования козлятника в кормопроизводстве и
животноводстве.
Малоизученными остаются вопросы биологии размножения,
семенной продуктивности и семеноводства козлятника восточного.
Низкая обеспеченность семенами козлятника, а также недостаточное
изучение вопросов его семеноводства не способствуют расширению
посевных площадей этой ценной культуры. Поэтому изучение
репродуктивной биологии козлятника восточного имеет исключительно
важное значение.
Цели и задачи работы. Цель исследования – изучение
репродуктивной биологии козлятника восточного сорта Гале в условиях
Пермского края.
Основные задачи:
1. Исследовать особенности цветения и опыления козлятника
восточного.
3
2. Исследовать процессы макро- и микроспорогенеза, двойного
оплодотворения козлятника восточного.
3. Изучить фертильность пыльцевых зерен и семязачатков
козлятника восточного сорта Гале.
4. Определить
потенциальную
и
реальную
семенную
продуктивность козлятника восточного сорта Гале в условиях
учхоза ПГСХА «Липовая гора».
Научная новизна. Впервые проведено исследование по цветению и
опылению растений козлятника восточного в условиях Пермского края.
Показана суточная ритмика цветения. Впервые изучены процессы
микроспорогенеза и макроспорогенеза козлятника восточного, выявлен
высокий процент фертильности пыльцевых зерен и семязачатков,
установлены значения потенциальной и реальной семенной продуктивности
растений козлятника восточного 2-го-5-го годов жизни в условиях учхоза
ПГСХА «Липовая гора».
Теоретическое и практическое значение работы. Данные
суточного хода цветения и опыления козлятника восточного пополняют
сведения по репродуктивной биологии ценных кормовых растений.
В результате наших исследований всесторонне изучен процесс
развития репродуктивных органов козлятника восточного, что является
важным вкладом в познание проблемы семеноводства данной культуры.
Материалы
эмбриологических
исследований
пополняют
характеристику семейства Fabaceae и могут быть использованы как в целях
селекции, так и для систематики.
Выявление причин снижения семенной продуктивности по
сравнению с репродуктивным потенциалом вносит значительный вклад в
решение проблемы повышения урожайности исследованной культуры.
Результаты работы используются при проведении занятий по
ботанике на кафедре ботаники и генетики Пермской государственной
сельскохозяйственной академии, постоянные микропрепараты используются
в лабораторных практикумах по курсу «Ботаника» в ПГСХА.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Высокие показатели семенной продуктивности: количество
генеративных структур на элемент парциального куста – генеративных
побегов, соцветий, цветков; число семязачатков в завязи; значения
фертильности пыльцы и семязачатков, коэффициента семенификации
подтверждают успешность культивирования козлятника восточного
сорта Гале в условиях Пермского края.
4
года жизни: в среднем 19,5. Высокий коэффициент семенной
продуктивности характерен для растений 2-го года жизни - средние
значения: 26,6 для побегов I-го порядка и 25,4 для побегов II-го порядка. Но
низкие значения ПСП не позволят эффективно использовать растения этого
возраста для получения семян. Низкие значения коэффициентов
семенификации были обнаружены у растений 5-го года жизни: 13,8; 12,5; 7,8
для побегов I-го, II-го, III-го порядков соответственно (табл. 2). Даже не
смотря на высокое значение ПСП побегов I-го порядка, использование
растений козлятника 5 года жизни на семена не эффективно.
Причинами снижения значений РСП по сравнению с ПСП являются:
нарушения при формировании пыльцевых зёрен и семязачатков,
приводящие к снижению их фертильности; асинхронность цветения,
плодообразования, осыпание неопылённых цветков и жизнедеятельность
насекомых-фитофагов, приводящие к потерям бутонов, цветков и плодов.
Самое значительное снижение продуктивности происходит на этапе
образования семян и связано с отсутствием опыления и оплодотворения
фертильных семязачатков в цветках соцветия. Процент таких семязачатков
для побегов различного порядка растений разного возраста варьировал от 51
до 77. Этот показатель превышает аналогичный у сортов клевера лугового и
клевера гибридного, у которых он варьирует от 30 до 46 (Кузьменко, 2009).
400
360
336
350
300
276
232
250
200
176
147
150
100
139
97
64
64 57
32
50
0
229
228
221
195
30
0
0
2004 2 г.ж.
2005 2 г.ж.
29
48
67
41
4
2004 3 г.ж.
РСП побегов I порядка
2005 3 г.ж.
2006 3 г.ж.
РСП побегов II порядка
2005 4 г.ж.
2006 4 г.ж.
2006 5 г.ж.
РСП побегов III порядка
Рис. 12. Реальная семенная продуктивность растений козлятника
восточного сорта Гале 2-го – 5-го годов жизни, семян/побег
21
Потенциальная семенная продуктивность (ПСП) растений 3-го – 5-го
годов жизни превышает аналогичный показатель растений 2-го года жизни
(рис. 11). В 2004 и 2005 гг. ПСП побегов II-го порядка оказалась выше ПСП
побегов I-го порядка, мы объясняем это благоприятными климатическими
условиями в период закладки и развития соцветий на побегах II-го порядка.
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
1844
1499
1296
1272
1068
1041
928
789
622
522
437
856
691
0
2004 2 г.ж.
538
459
325
237
77
675
211
238
51
0
2005 2 г.ж.
ПСП побегов I порядка
2004 3 г.ж.
2005 3 г.ж.
2006 3 г.ж.
ПСП побегов II порядка
2005 4 г.ж.
2006 4 г.ж.
2006 5 г.ж.
ПСП побегов III порядка
Рис. 11. Потенциальная семенная продуктивность растений козлятника
восточного сорта Гале 2-го – 5-го годов жизни, семязачатков/побег
Число семян в одном плоде козлятника варьирует от 0 до 11.
Средние значения числа семян в плоде варьируют для побегов I-го порядка
растений разного года жизни и в разные годы исследований от 3,0 до 4,1;
для побегов II-го порядка - от 2,9 до 3,4; для побегов III-го порядка - от 1,9
до 3,3. Немного выше среднее число семян в плодах побегов I-го порядка
растений 3-го года жизни. Значение коэффициента вариации более 50 % для
всех изученных групп побегов.
Самые высокие значения реальной семенной продуктивности (РСП)
характерны для растений 3-го и 4-го годов жизни (рис. 12), растения этого
возраста наиболее эффективно использовать на семена в условиях
Пермского края.
Максимальные значения коэффициента семенификации достигаются
у побегов I-го порядка растений 3-го года жизни: в среднем 30,2 за все годы
исследований; меньше эти показатели у побегов I-го порядка растений 4-го
20
2. Эмбриология исследованного вида козлятника восточного на
примере сорта Гале в целом типична для растений семейства Fabaceae:
двудольный тип развития стенки пыльника, двухклеточные зрелые
пыльцевые зерна, кампилотропные, двупокровные семязачатки,
Polygonum - тип развития зародышевого мешка, нуклеарный эндосперм
на ранней стадии развития зародыша.
Апробация работы и публикации. Материалы исследований были
представлены на LXIII межвузовской конференции молодых учёных и
аспирантов ПГСХА (Пермь, 2004), на Всероссийской научно-практической
конференции молодых учёных и специалистов «Молодые учёные в XXI
веке» (Ижевск, 2005), на IX Всероссийском популяционном семинаре
«Особь и популяция – стратегии жизни» (Уфа, 2006).
Всего по материалам диссертации опубликовано 7 научных трудов,
два из которых – в научных изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад диссертанта. В диссертации изложены результаты
пятилетних исследований автора по репродуктивной биологии козлятника
восточного, включающие развитие семязачатков и пыльцы, опыление и
развитие зародыша, а также определение величины органогенного
потенциала генеративной сферы и уровень его реализации в онтогенезе. В
диссертационную работу вошли полевые и экспериментальные данные,
полученные лично диссертантом и совместно со студентами Пермского
государственного национального исследовательского университета (при
личном участии в сборе и обработке материала).
За период работы выполнено около 3000 фиксаций завязей
исследованного вида, изготовлено около 1500 временных и более 150
постоянных препаратов.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 174
страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы,
материалов и методов, четырёх подглав результатов исследований и их
обсуждений, выводов и приложений. Работа иллюстрирована 27 таблицами,
14 графиками и 31 фотографией. Список цитируемой литературы включает
243 наименования, в том числе 38 на иностранном языке.
Благодарности. Приношу сердечную благодарность моему учителю,
научному руководителю и консультанту - доктору биологических наук Н.Л.
Колясниковой.
5
Я благодарна за предоставленную возможность проводить
исследования в лаборатории цитогенетических ресурсов растений ПГНИУ, а
также за консультации - зав. лабораторией цитогенетических ресурсов
профессору, доктору биологических наук Л.В. Новосёловой.
Благодарю студентов кафедры ботаники и генетики растений
Пермского
государственного
национального
исследовательского
университета, принимавших участие в полевых и лабораторных
исследованиях.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе дан обзор литературных данных по кормовому,
хозяйственному и агроэкологическому значению козлятника восточного,
изложены морфобиологические особенности культуры.
Во второй главе проанализирована репродуктивная биология
растений сем. Fabaceae.
В третьей главе описаны объект исследований, условия
произрастания культуры и методы исследований. Объектом исследований
явились растения козлятника восточного (Galega orientalis Lam.) сорта Гале
1-го – 5-го годов жизни, произрастающие в рядовых посевах на площадях
0,5 га. Куст прямостоячий высотой до 150 см, кустистость 5-20 стеблей на
куст. Стебли среднегрубые, неопушённые, тёмно-зелёные, ветвистость
хорошая. Листья непарноперистосложные, состоят из 9-15 листочков
яйцевидной формы в нижнем ярусе и продолговато-яйцевидной – в верхнем.
Листья неопушённые, нежные, насыщенно-зелёного цвета с округлыми
светло-зелёными прилистниками. Соцветие – рыхлая прямостоячая
мышехвостная кисть длиной 20-30 см, цветки сине-фиолетовые. Бобы
линейные, слабоизогнутые, шиловиднозаострённые длиной 2-4 см. Семена
крупные, почковидные, длиной 2-3,5 мм, зеленовато-жёлто-коричневые.
Бобы не опадают и не растрескиваются. Семена перед посевом нуждаются в
скарификации.
Отрастание весной и после укосов быстрое (в первый год жизни
медленное). Посевы не выносят затопления и высокого стояния грунтовых
вод. Требователен к известкованию почвы. Зимостойкость хорошая. Средняя
урожайность за годы испытаний сухого вещества – 61,3 ц / га, зелёной массы
– 210 ц / га, семян – 2,1 ц / га (Результаты сортоиспытания…, 2004). Сорт
Гале входит в «Государственный реестр селекционных достижений,
допущенных к использованию» и предпочтителен для выращивания в
Нечерноземной зоне (Прохорова, 2009). Оригинатор сорта: Челябинский
НИИСХ.
6
Прослеживается
зависимость
значений
коэффициента
плодообразования от возраста растений и порядка побега. Высокие значения
данного показателя характерны для растений 3-го и 4-го годов жизни, с
увеличением порядка побега значение коэффициента плодообразования
снижается.
На основании полученных результатов мы утверждаем, что самой
высокой плодопродуктивностью отличаются растения 3-го и 4-го годов
жизни (рис.10).
При значениях коэффициентов плодообразования побегов
различного порядка от 18 до 60 % потери цветков, бутонов и зелёных
плодов составляют от 40 до 82 %.
При изучении цветков и бутонов мы обнаружили, что у 5 % из них
чашечки и/или венчик были повреждены насекомыми. При изучении плодов
мы также обнаружили, что около 2 % из них повреждены грызущими
насекомыми.
Основные потери бутонов, цветков и зелёных плодов, по-видимому,
вызваны осыпанием неопылённых цветков, недостаточным обеспечением
питательными веществами вследствие асинхронности заложения и
растянутого периода развития цветков в соцветии (до 14 дней) и на одном
растении (до 32 дней); асинхронностью плодообразования.
70
60
60
60
50
20
29
27
21
26
42
41
36
40
30
59
53
52
34
39
50
41
37
31
37
26
25
20
18
10
0
2004 2 г.ж.
2005 2 г.ж.
2004 3 г.ж.
2005 3 г.ж.
2006 3 г.ж.
2005 4 г.ж.
2006 4 г.ж.
2006 5 г.ж.
Коэффициент плодообразования побегов I порядка
Коэффициент плодообразования побегов II порядка
Коэффициент плодообразования побегов III порядка
Рис.10. Коэффициент плодообразования побегов I-го, II-го, III-го
порядков растений козлятника восточного сорта Гале
2-го – 5-го годов жизни, %
19
Рис.8. Образование эндосперма в
зародышевом мешке козлятника
восточного сорта Гале
Рис.9. Двуклеточный проэмбрио
козлятника восточногосорта Гале
Семенная продуктивность. Для того чтобы выяснить, в каком
возрасте козлятник восточный может дать самые высокие урожаи семян, мы
оценили потенциал плодопродуктивности через изучение потенциала
побегообразования, доли цветущих растений и доли генеративных побегов
на элемент парциального куста, рассчитали плодопродуктивность и
семенную продуктивность растений разного возраста.
Согласно исследованиям 2004-2006 г.г. у растений 2-го-5-го годов
жизни коэффициент побегообразования колеблется от 27 до 53 % для
побегов I-го порядка, от 12 до 45 % для побегов II-го порядка. Для побегов
III-го порядка значение признака в годы исследований равно 0.
Результаты исследования доли цветущих растений и доли
генеративных побегов на элементе растений козлятника восточного уже
обсуждались и предствлены на рисунке 2.
Достоверных различий по числу цветков в соцветиях и числу
генеративных побегов на элемент парциального куста растений козлятника
3-го, 4-го, 5-го года жизни нет, также как нет различий по доле цветущих
растений и доле генеративных побегов на элемент парциального куста.
Таким образом, по значениям коэффициентов плодообразования достаточно
объективно можно оценить плодопродуктивность растений 3-го, 4-го, 5-го
годов жизни.
Количество бобов на соцветие составило в разные годы
исследований в среднем 25-41 для побегов I-го и II-го порядков растений 3го, 4-го, 5-го годов жизни, значительно ниже этот показатель для растений 2го года жизни и побегов III-го порядка растений всех возрастов; при этом
значение коэффициента вариации более 35 % для всех изученных групп
побегов.
18
Погодные условия в период проведения исследований были
различными. В среднем вегетационный период 2004 года был умеренно
влажным и теплым, 2005 год был тёплым и более сухим, перепады
температур и влажности были характерны для 2006 года. Антэкологические наблюдения проводились с учетом работы А. Н.
Пономарева (1960). Фиксация эмбриологического материала и его обработка
велись по общепринятой методике (Паушева, 1988). Для определения
фертильности семязачатков использовался йодный метод (Орел и др., 1988).
Изучено 1500 временных препаратов. Для эмбриологических исследований
было приготовлено более 150 постоянных препаратов, содержащих в общей
сложности около 9000 срезов завязей и пыльников. Потенциальная и
реальная семенная продуктивность определялись по методике И. В.
Вайнагий (1974, 1990). Расчеты велись на один генеративный побег.
Оценивали успешность по показателю – коэффициент семенификации –
соотношение показателей ПСП и РСП, который показывает, какой процент
семязачатков развился в семена. Математические данные обрабатывались
статистически по Д. А. Доспехову (1985) и В. М. Шмидту (1984). В четвёртой главе рассмотрены результаты исследований
генеративных органов, динамики цветения и опыления, эмбриологии и
семенной продуктивности растений козлятника восточного сорта Гале в
условиях учхоза ПГСХА «Липовая гора».
Цветок и соцветия. Для козлятника характерен цветок
мотылькового типа с 5-зубчатой чашечкой. Окраска венчика – синефиолетовая, размеры элементов венчика раскрытого цветка составляют:
длина и ширина паруса – 13,5±0,83 мм и 8,9±0,88 мм; весла – 11,8±0,73 мм и
3,4±0,44 мм; лодочки – 9,3±0,55 мм и 2,95±0,15 мм. Длина тычинки и
пестика составляет 9,5±0,87 мм и 8,5±0,73 мм соответственно.
Особенностью строения цветков козлятника является то, что пестичнотычиночная колонка удерживается в лодочке, её высвобождение – триппинг
- происходит чаще всего в момент посещения цветка насекомыми.
Размеры цветка козлятника превышают размеры цветков видов
люцерн, клевера, донника, горошка. Неглубокое расположение нектарников
и относительно большие размеры цветков козлятника восточного сорта Гале
облегчают доступ опылителей, что способствует лучшему опылению и
завязыванию семян.
Среднее значение числа семязачатков в завязи варьировало от 5,7 до
9 в зависимости от порядка побегов, возраста растений и года наблюдений.
Этот показатель выше у Galega orientalis, чем у других бобовых трав
(Trifolium prаtense, T. repens, T. medium, Melilotus officinalis, M. аlbus, Vicia
7
Рис.1 Побеги козлятника восточного сорта Гале с соцветиями
дифференцирующи
йся зародышевый
мешок
Зрелый
зародышевый
мешок
19
-
4-ядерный
зародышевый
мешок
1 макроспора
в бугорке
9
-
2-ядерный
зародышевый
мешок
0
1
2
3
4
5
6
7
4 макроспоры
Стадии развития зародышевого мешка
29
12
-
16
49
23
-
46
57
8
4
4
68
107
105
115
Число исследованных
семязачатков
стерильных семязачатков являются нарушения в образовании и накоплении
крахмальных зёрен
Таблица 1
Развитие женского гаметофита козлятника восточного сорта Гале
Стадии развития
цветка*
cracca, Medicago lupulina). Среднее количество семязачатков в завязях
цветков перечисленных растений не превышает 4,7 (Колясникова, 2006).
Соцветие козлятника восточного – кисть. Генеративные побеги
козлятника несут 1, 2 или 3 кисти (рис.1). Среднее число кистей на элемент
парциального куста зависит от возраста растений. Для побегов 1 порядка
число кистей варьирует от 1 до 4 (в среднем 2), для побегов 2 порядка - от 1
до 15 и для побегов 3 порядка - от 1 до 11. Среднее число цветков в соцветии
составляет от 42 до 72; от 23 до 49; от 5 до 29 для побегов 1-го,2-го,3-го
порядков растений разного возраста и в разные годы наблюдений.
Количество соцветий на элемент парциального куста, количество цветков на
соцветие у козлятника восточного, выявленные нами, существенно не
отличаются от опубликованных ранее данных С.Н. Симонова (1951, 1972),
П.П. Вавилова (1975), Е. Arapetyan (1996), Е. В. Турковой (2002). В отличие
от Е. Arapetyan (1996) мы не обнаружили, что число соцветий на побег
зависит от возраста для растений 2-го-5-го годов жизни.
28
45
61
69
125
115
109
119
*Стадии развития цветка выделены в соответствии с классификацией
стадий развития цветка для люцерны (Возный, 1937; Нам, 1979)
0 - зелёные ранние и поздние бутоны, венчик полностью закрыт
чашелистиками;
1 – венчик ясно обозначился, но концы чашелистиков выше него;
2 – венчик и чашелистики на одном уровне;
3 – венчик выше чашелистиков на 1/4 - 1/3 их длины;
4 – венчик выше чашелистиков на их полную длину;
5 – щелевидно раскрытый цветок;
6 – полураскрытый цветок;
7 – раскрытый нетриппингованный цветок.
Максимальные число и доля генеративных побегов на элемент
парциального куста характерны для растений 3-го и 4-го годов жизни. Для
растений этого возраста характерна и максимальная доля цветущих растений
(рис.2). Растения 1-го года жизни, наблюдения за которыми проводили в
2005г., в условиях Пермского края не цвели.
Таким образом, характеристики цветков козлятника восточного сорта
Гале, такие как большие размеры, сине-фиолетовая окраска венчика,
большое количество нектара демонстрируют его преимущество над другими
кормовыми бобовыми растениями при возделывании на семена.
Количественные показатели генеративной сферы козлятника, такие как
число семязачатков в завязи, число цветков в соцветии, а также число
соцветий на побег в совокупности также демонстрируют преимущество
козлятника восточного над другими кормовыми бобовыми растениями, что
После оплодотворения первичное ядро эндосперма вступает в
деление, давая начало ядрам эндосперма (рис. 8). Эндосперм нуклеарного
типа, его преобразование в клеточный начинается позднее. Зигота делится
поперечно, образуя апикальную и базальную клетки (рис. 9). Возможно,
развитие зародыша у Galega orientalis идёт по Caryophyllad-типу, но всех
последующих этапов развития зародыша: линейный проэмбрио и др. нами
не было получено. Требуются дополнительные детальные исследования всех
стадий развития зародыша.
8
17
57±2мкм. К созреванию зародышевый мешок изгибается по форме
семязачатка. В цветках на побегах большего порядка длина зародышевых
мешков меньше.
Находясь в семязачатках одной завязи, зародышевые мешки у
козлятника восточного сорта Гале могут развиваться асинхронно.
Мы сопоставили стадии развития женского гаметофита со стадиями
развития цветка козлятника. Результаты учёта стадий развития
зародышевого мешка представлены в таблице 1. В семязачатках,
извлечённых из бутонов нулевой стадии, мы наблюдали развитый наружный
интегумент, не до конца сформированный внутренний интегумент, тетрада
макроспор или 1 макроспора. В бутонах 1-2-ой стадии мы наблюдали двухи четырёхядерные зародышевые мешки. Начиная с третьей стадии, когда
наблюдается увеличение размеров венчика, его выдвигание из чашечки и
постепенное
окрашивание,
зародышевые
мешки
находятся
в
дифференцирующемся состоянии; полностью они созревают к 5 стадии и до
раскрывания цветка (7 стадия). Анализ данных показывает, что зрелый
зародышевый мешок формируется преимущественно к раскрыванию цветка,
и на разных стадиях развития цветка можно дать предварительную оценку
состояния зародышевого мешка.
Нарушения в строении семязачатков козлятника восточного сорта
Гале редки. Мы наблюдали отсутствие зародышевого мешка в нуцеллусе
семязачатка, а также выявляли стерильные семязачатки по нарушению их
окрашивания в йодистом калии (I в KI).
Процент фертильных семязачатков в завязи колеблется от 58,3 % до
100 %. Средние значения процента фертильности во все годы наблюдений
составили более 80 %. У 91% исследованных завязей фертильность
семязачатков составила 100%. Различия в значениях процента фертильности
семязачатков растений разного возраста и побегов различного порядка не
обнаружены.
Согласно нашим исследованиям 800 цветков козлятника восточного
сорта Гале дегенерация семязачатков происходит во всех частях завязи,
независимо от их положения, никакой связи между стерильностью
семязачатков козлятника и их положением в завязи мы также не
обнаружили.
Мы
выявили,
что
строение
семязачатков,
процессы
макроспорогенеза и развития зародышевого мешка козлятника типичны как
для представителя подсемейства Faboideae; фертильность семязачатков
достаточно высока - в среднем более 80 %. Основной причиной появления
16
позволяет его рентабельней, чем другие культуры, возделывать на семена.
Значения коэффициента вариации для таких признаков как число цветков в
соцветии, число соцветий на побег и число генеративных побегов на
элемент парциального куста позволяют сделать вывод о зависимости
данных признаков от климатических условий.
Цветение и опыление. Анализ данных, полученных в ходе
наблюдений за растениями козлятника позволяет сделать вывод, что сроки
бутонизации, цветения и плодоношения растений козлятника восточного
сорта Гале зависят от их возраста, от погодных условий и различаются
возраста, от погодных условий и различаются для побегов различного
порядка. Выявлено, что у растений 2-го года жизни генеративная фенофаза
наступает позднее, чем у растений 3-го, 4-го, 5-го годов жизни; тёплая
погода в мае является фактором, от которого зависит начало цветения
растений козлятника восточного; раньше цветут и плодоносят побеги 1-го
порядка, затем – 2-го и 3-го; цветение побегов определённого порядка
длится от 10 до 25 дней; периоды массовых процессов бутонизации и
цветения побегов 1-го и 2-го порядков компактны во времени и более
растянуты у побегов 3-го порядка; в прохладную погоду сроки бутонизации
и цветения увеличиваются.
120
96
100
80
72
71
93
98
91
63
67
67
2004 3 г.ж.
2005 3 г.ж.
2006 3 г.ж.
97
92
60
63
67
2005 4 г.ж.
2006 4 г.ж.
2006 5 г.ж.
60
40
32
36
2004 2 г.ж.
2005 2 г.ж.
20
0
Доля генеративных побегов
Доля цветущих растений
Рис.2.
Доля цветущих растений и доля генеративных побегов
растений козлятника восточного сорта Гале 2-5 годов жизни, %
9
Массовое плодоношение побегов каждого порядка длится 2-3
недели. Семена созревают через 3-3,5 месяца от момента весеннего
отрастания. Первая декада августа – оптимальный срок начала уборки
козлятника на семена в Пермском крае.
Изучение суточного ритма цветения козлятника восточного
проводили в фазу массового цветения вида. Дневной ход распускания
цветков козлятника восточного сорта Гале в условиях Пермского края
характеризуется одновершинной кривой с максимумом в 11-13 часов,
раскрывание цветков начинается с 7 часов и заканчивается в 21 час. В
прохладные пасмурные и умеренно тёплые дни с максимальной
температурой до 26 °С пик цветения приходится на 13 часов и совпадает с
пиком температуры и периодом минимальной влажности (рис.3А). В
наиболее жаркие дни пик цветения наступает раньше, в 11-13 часов.
Температура свыше 30 °С заметно снижает интенсивность цветения
(рис.3Б).
А
Б
Рис.3. Дневной ход цветения и опыления цветков растений козлятника
восточного сорта Гале 6 июня 2004 года (А), 16 мая 2005 года (Б)
10
Развитие зародышевого мешка происходит в то время, когда в
пыльниках образуются одноклеточные микроспоры и двухклеточные
пыльцевые зёрна, то есть развитие пыльцевых зёрен опережает развитие
женского гаметофита у козлятника восточного.
Макроспорогенез нормальный: из линейной тетрады макроспор в
зародышевый мешок развивается халазальная макроспора.
Зародышевый мешок козлятника развивается по типу Polygonum.
После деления макроспоры формируется двуядерный зародышевый мешок,
при последующих делениях – четырёх- и восьмиядерный. Антиподы в
зародышевом мешке козлятника дегенерируют перед оплодотворением.
Зрелый зародышевый мешок козлятника восточного четырёхклеточный,
четырёх- или пятиядерный: яйцевой аппарат типичного строения: на
микропилярном конце находятся крупная шаровидная яйцеклетка и две
грушевидные синергиды, в центральной клетке одно крупное диплоидное
ядро или 2 полярных ядра (рис.7).
Расположен зародышевый мешок в микропилярной или средней
части семязачатка. Форма зародышевого мешка овальная с заострённым к
халазе концом; развитие его сопровождается интенсивным поглощением
нуцеллярной ткани, которая наиболее долго сохраняется в халазальной
части семязачатка. Форма зародышевого мешка изменяется в зависимости от
стадий его развития. На двухядерной стадии зародышевые мешки имеют
овальную форму. Отношение их длины к ширине составляет 2,1:1. По мере
развития происходит значительное увеличение длины зародышевого мешка,
тогда как ширина изменяется незначительно. Длина увеличивается в 1,4- 3,1
раза и у зрелого зародышевого мешка составляет 249±8 мкм, ширина –
Рис. 6. Кампилотропные
крассинуцеллятные семязачатки в
завязи козлятника восточного
сорта Гале
Рис.7. Зрелый зародышевый мешок в
семязачатке козлятника восточного
Сорта гале
15
1-го, 2-го и 3-го порядков, достоверных различий между этими показателями
не обнаружено.
В зрелых нормально развитых пыльниках козлятника восточного
сорта Гале наряду с нормальными двухклеточными пыльцевыми зёрнами
всегда содержится некоторое количество стерильных пыльцевых зёрен. В
пыльниках с нарушениями в строении стенки мы обнаружили либо
стерильные пыльцевые зёрна или отсутствие таковых вообще. Таким
образом, отсутствие дифференциации слоёв стенки пыльника привело к
гибели микроспороцитов.
Процессы развития стенки пыльника и микроспорогенез козлятника
восточного сорта Гале типичны как для представителя посемейства
Faboideae; фертильность пыльцевых зёрен имеет генетически закреплённые
высокие значения - в среднем более 90%, что превышает фертильность
пыльцы некоторых кормовых бобовых растений.
Семязачатки козлятника кампилотропные, крассинуцеллятные,
двупокровные (рис.6). Число семязачатков, развивающихся в завязи,
варьирует от 3 до 12, в среднем составляет 5,7 – 8,7 для растений разного
возраста и побегов различного порядка в разные годы наблюдений. Значения
коэффициентов вариации (15-22 %) указывают на зависимость данного
признака от условий произрастания (климатических, состава почвы и др.).
Достоверных различий количества семязачатков в завязях растений разных
возрастов и побегов различных порядков не обнаружено.
Средние размеры длины семязачатков варьируют от 250 мкм до 440
мкм, ширины – от 190 мкм до 320 мкм; семязачатки в цветках побегов III
порядка имеют меньшие размеры, чем семязачатки в цветках побегов I и II
порядков.
В нуцеллусе семязачатка козлятника восточного закладывается от 2
до 5 археспориальных клеток, которые, делясь периклинально, образуют
мегаспороциты и 1-3 слоя париетальных клеток. Археспориальная клетка
козлятника делится с образовнием линейной тетрады макроспор.
Макроспороциты у козлятника закладываются в ранних зелёных
бутонах, когда в пыльниках уже завершается мейоз и образуются тетрады
микроспор. Интегументы в это время только начинают формироваться.
Интегументы достигают полного развития и окончательно
смыкаются, образуя микропиле, на стадии зрелого зародышевого мешка.
Внутренний интегумент 2-3-слойный, внешний — многослойный, особенно
массивный в микропилярной части. Микропиле семязачатков козлятника
восточного сорта Гале образовано обоими интегументами. Внутренний
эпидермис
внутреннего
интегумента
дифференцируется
в
интегументальный тапетум.
Раскрывание цветков происходит в широком диапазоне относительной
влажности воздуха (от 50 % до 100 %) и температур (от 6 °С до 33 °С).
Оптимальные условия цветения козлятника восточного сорта Гале –
температура 21-26 °С и относительная влажность воздуха 50-90 %. Ведущий
экологический фактор, определяющий динамику цветения козлятника
восточного – температура воздуха. Влияние температуры корректируется
относительной влажностью воздуха, выпадением осадков и росы.
Ежедневно на цветочной кисти распускается от 2 до 8 цветков в
акропетальном порядке, неопылённый цветок сохраняется от 3 до 7 суток,
цветение одной кисти длится 8 – 14 дней, а длительность цветения одного,
хорошо развитого растения составляет от 25 до 32 дней. Продолжительность
цветения цветков, соцветий и отдельных растений увеличивается в
прохладную погоду.
Наблюдения подтвердили, что козлятник восточный характеризуется
энтомофильным ксеногамным способом опыления. В разных вариантах
опыта процент завязывания плодов составил от 49,72 до 71,63. Процент
факультативного самоопыления колебался от 1,36 до 6,18.
По данным М.А. Вишняковой (1996), случаи завязывания плодов у
козлятника вследствие самоопыления очень редки и составляют менее 1
процента; самоопылению в цветках козлятника препятствует геркогамия,
возможность попадания пыльцы на рыльце пестика только после триппинга
и самонесовместимость.
Мы рассматриваем низкий процент автотриппинга
и
самонесовместимость
как
условия
репродуктивного
успеха
перекрёстноопыляемого растения, который достигается через отсутствие
оттока органических веществ в инбредные зародыши, характеризующиеся
сниженной жизнеспособностью. По нашим наблюдениям, видовой состав
опылителей не отличался разнообразием и был представлен пчёлами и
шмелями.
Динамика распускания цветков теснейшим образом связана с
динамикой их опыления.
По нашим данным опылённые (триппингованные) цветки
появляются в 9 часов утра. Их появление фиксируется до 19 часов, а в
жаркие дни и позднее. Максимальное количество опылённых цветков
регистрируется в 12-13 часов, если температура не превышает 26 ºС, а если
день жаркий, то максимальное количество опылённых цветков
регистрируется в первой половине дня (до 12 часов) при температуре 25-26
ºС. Эти данные согласуются с данными Ю.В.Докукина (2009) о том, что
медоносные пчёлы посещают растения козлятника восточного в течение
всего светового дня, причём пик их активности приходится на 12 часов. В
14
11
очень жаркие дни с дневной температурой выше 30 °С пик опыления
козлятника приходится на 11 часов (рис.3).
Снижение количества триппингованных цветков у козлятника в
наиболее жаркие дневные часы при температуре выше 30° С можно
объяснить полуденной депрессией опылителей (Пономарёв, 1950), а также
резким снижением выделения нектара цветками козлятника при температуре
выше 27 °С (Докукин, 2009).
Особенностью опыления цветков козлятника восточного является
механизм триппинга. В определённый момент, когда опылители размыкают
лепестки, гинецей, жёстко связанный с ними, выскакивает из лодочки и
ударяет о брюшко насекомого.
Результаты наших исследований позволили убедиться, что процессы
цветения и опыления козлятника восточного сорта Гале высоко адаптивны к
условиям умеренно континентального климата Предуралья (оптимальные
условия цветения - температура 21-26 °С и относительная влажность
воздуха 50 – 90 %; оптимальные условия опыления - температура не выше
27 °С), что, безусловно, позволит максимально использовать
репродуктивный потенциал вида при выращивании культуры в Пермском
крае.
Эмбриология. Пыльники у козлятника 4 гнёздные, развиваются по
типу двудольных. В бутонах размером 0,4-2,4 мм, когда венчик ещё
полностью скрыт чашелистиками, а микроспороциты находятся на стадии
мейотического деления, активно осуществляется дифференциация клеток
стенки пыльника.
В самом начале дифференцируется слой эпидермальных клеток −
таблитчатых и уплощённых. Под эпидермой клетки обычно начинают
делиться в тангециальном направлении (параллельно поверхности). Из
внутренних слоев делящихся клеток формируются археспориальные, а из
наружных слоев — постенные (париетальные) клетки. Париетальные клетки
образуют
стенку
пыльника,
которая
состоит
из
фиброзного
(субэпидермального) слоя, или эндотеция, который участвует в разрывании
стенки пыльника, и нескольких рядов клеток выстилающего слоя. Клетки
выстилающего слоя подразделяются на дегенерирующие (средний слой) и
тапетум. Клетки тапетума, окружающие микроспороциты, имеют густо
окрашенную цитоплазму, клетки остальных слоёв почти не отличаются друг
от друга. Тапетум в пыльниках козлятника однослойный, клеточный,
секреторный, клетки тапетума одноядерные (рис. 4).
Постепенно 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. Тапетум дегенерирует
и этот процесс совпадает по времени со стадией тетрад микроспор и
одноядерной пыльцы, в процессе развития пыльцы клетки дегенерирующего
слоя лизируются. Стенка зрелого пыльника состоит из эпидермиса и
эндотеция (рис. 5).
Спорогенные клетки в пыльниках козлятника расположены в 2-3
слоя. Мейоз протекает нормально и синхронно в пределах одного пыльника,
но асинхронно в разных пыльниках бутона. Образование микроспор
происходит симультанно, расположение их в тетрадах тетраэдрическое.
Микроспороциты и тетрады микроспор заключены в каллозные оболочки.
Обособление микроспор сопровождается увеличением их размеров, они
становятся округлыми, высвобождаются микроспоры синхронно в пределах
пыльника, асинхронно в пределах цветка.
Зрелые пыльцевые зёрна козлятника двухклеточные, округлые или
округло-овальные, трёхбороздно-поровые. Диаметр пыльцевых зёрен
козлятника в среднем составляет 20±1 мкм. Прорастания пыльцевых трубок
внутри пыльников у козлятника восточного сорта Гале мы не обнаружили.
Среднее значение фертильности пыльцы растений во все годы
исследований превышает 90 % при значениях коэффициента вариации от 2
до 11 %. Минимальное значение фертильности пыльцы составило 54,4 % (у
растения 2-го года жизни в 2005 году), максимальное значение – 100 %.
Максимальное значение фертильности пыльцы имели 19 % исследованных
растений, 82,3 % имели значения фертильности пыльцы, превышающие
90%. В 2005 г проводился анализ фертильности пыльцы в цветках побегов
12
13
Рис.4. Стенка пыльника козлятника Рис.5. Стенка зрелого пыльника
восточного на стадии профазы I козлятника восточного сорта Гале
мейоза в микроспороцитах