М. А. Вишнякова Системы семенного размножения бобовых

ГНУ ВИР Россельхозакадемии
М. А. Вишнякова
Всероссийская Вавиловская
школа, март 2012, СанктПетербург, ВИР
Типы размножения растений:
• половое,
• бесполое (партеногенез и
адвентивная эмбриония),
• вегетативное.
Семенное
размножение
Семейство Fabaceae характеризуется большим
разнообразием и лабильностью систем семенного
размножения,
определяемых типом опыления и особенностями системы
опыления (Arroyo, 1981).
Большинство зерновых бобовых культур (горох, соя,
фасоль, нут, некоторые виды люпина) - самоопылители, в
то время как большинство кормовых бобовых перекрестники (клевер красный, донник, эспарцет и т.д.).
Однако в пределах родов Lupinus, Vicia, Lathyrus,
Phaseolus, Cicer, представляющих зернобобовые, и в
пределах родов Trifolium, Medicago, Lotus, Astragalus и
др., являющихся по существу кормовыми, есть как
преимущественно перекрестноопыляющиеся виды, так и
облигатные самоопылители. В пределах ряда видов также
встречаются как природные, так и сортовые популяции с
альтернативными типами опыления.
Самоопылители – растения, завязывающие семена от
самоопыления без вмешательства каких-либо агентов
опыления.
Перекрестноопыляющиеся растения – не завязывают
семена без вмешательства агентов опыления.
1
2
3
1 - под изолятором без вмешательства;
2 – под изолятором искусственное самоопыление;
3 – без изолятора – свободное опыление.
Облигатные
самоопылители,
также,
как
и
облигатные перекрестники – это крайности.
Большинство местных сортов (видов, сортов)
обнаруживают смешанную систему семенного
размножения с большей или меньшей степенью
само- или перекрестного опыления, занимая
таким образом промежуточное положение между
крайностями
Облигатные перекрестники могут в какой-то степени
самоопыляться («самосовместимость конца сезона»)
Виды – облигатные самоопылители также могут
завязывать какое-то количество семян от перекрестного
опыления
Сист емы семенной репродукции основных предст авит елей
зернобобовых и их диких родичей
Genera
Cross-pollinating (CP)
LUPINUS
L.arizonicus, L.nanus ssp.
latifolius,L.polyphyllus,
L.sparsiflorus,L.texenis,
L.truncatus
VICIA
V.cracca, V.multicaulis,
V.villosa
LATHYRUS
L.latifolius,
L.sylvestris,
L.tuberosus
Mixed
L arboreus,
L. luteus ,
L.mutabilis
V.faba,
V.pannonica
L.odoratus
Self-pollinating (SP)
.
L.albus,
L.angustifolius,
L.bicolor,L.nanus,
L.pachylobis, L.pilosus,
L.polycarpus
V.articulata,
V.ervilia,V.hirsuta,
V.lathyroides, V.lutea, V.nana,
V.narbonensis,V.peregrina,
V.pisiformis,
V.sativa,V.tetrasperma
L.annuus,L.aphaca,
L.articulatus,L.cicera,
L.hirsutus,L.nissola, L.ochrus,
L.pratensis,L.setifolius,
L.sativus,L.tingitanus
PISUM
P.sativum, P.fulvum
GLYCINE
G.max, G.soya
LENS
L.culinaris
CICER
C.arietinum
PHASEOLUS
P.coccineus, P.polyanthus
P.lunatus
P.acutifolius, P.vulgaris
MEDICAGO
M.cancellata,
Medicago sativa
M.coerulea,
M.difalcata, M.falcata,
M.quasifalkata,
M.polychroa,
M.tianschanica
TRIFOLIUM
T.pratense,
T.nigrescens
GALEGA
G.orientalis
LOTUS
L.corniculatus
T.resupinatum,
T.subterraneum
M.arabica,
M.blancheana,M.hispida,
M.lacionata, M. littoralis,
M.lupulina, M.minima, M.murex,
M.orbicularis, M.polymorpha,
M.rigidula, M.scutellata,
M.tornata, M.turbinata
T.glomeratum, T.tomentosum
L.ornithopodiodes,
L.divaricatus
Общие т енденции в распределении сист ем семенного
размножения
Самоопылен
ие
(СО)
Перекре
ст ное
опылен
ие
(ПО)
Географиче
ский
градиент
Положение
в
популяции
Уровень
окультуривания
Жизненная
форма
Жизненный
цикл
Север
Центр
Культурное
Травы
Однолет
ники
Юг
Края
Дикое
Кусты,
деревья
Многоле
тники
Эволюция цветка у Fabaceae характеризуется ясно
выраженными тенденциями к максимализации экономии
пыльцы и нектара
(Arroyo, 1981).
Цветки у представителей подсемейства Papilionoideae имеют
гораздо меньше пыльцы, чем предст авит елей подсемейст в
Caesalpinoideae and Mimosoideae (Leppik,1966).
В подсемействе Papilionoideae гораздо меньше
самонесовместимых видов, чем у представитедей
Caesalpinoideae и Mimosoideae, особенно у травянистых
подтриб Glycinae (0%) and Phaseolinae (2%).
В целом самонесовместимых видов у
Caesalpinoideae - 62,25%;
Mimosoideae - 66,66%;
Papilionoideae - 22,11%.
Caesalpinoideae - 62,25% самонесовместимых видов
Цветки средней величины или крупные, иногда очень
эффектные, более или менее зигоморфные.
Caesalpinia
pulcherrima
Cassia fistula
Papilionoideae - 22,11% самонесовместимых
видов.
Цветки мелкие, зигоморфные
Glycine max - соя
Vicia sativa - вика
Число самонесовместимых видов из числа изученных в трибе
Viceae:
Lathyrus (9-1), Lens (1-0), Pisum (2-0), Vicia (10-0), Cicer (7-0).
Самоопыление в любой его форме рассматривается как вторичное
явление, обусловленное условиями среды, неблагоприятными для
перекрестного опыления, то есть выполняет «страховочную»
функцию.
Показано, что в годы с неблагоприятными для лета насекомых
условиями самоопыление служит резервным механизмом.
Автогамия может играть положительную роль при заселении
новых территорий, когда создание однородной популяции может
быть выгодным при отсутствии нужных опылителей, раннем
цветении до вылета опылителей и т.п.
Наибольшую актуальность это приобретает в эпоху урбанизации и
массового применения химических реактивов в сельском
хозяйстве, что пагубно влияет на энтомофауну.
Перекрестники
Самоопылители
Продуцирование
нектара
больше
меньше
Продуцирование
пыльцы
больше
меньше
R.W. Cruden (1977) разработал метод
подсчета отношения (индекса) количества пыльцевых
зерен к числу семязачатков
(pollen-ovule ratios)
для идентификации системы опыления у 86 различных
видов различных родов.
Клейстогамные
4,7
Облигатные СО
27,7
Факультативные СО
168,5
Факультативные перекрестники
796,6
Облигатные перекрестники
5859,2
Интересно, что подобная закономерность выявлена и у
дикорастущих родичей культивируемых автогамных
растений. Так, у растений диких самоопыляющихся видов
Phaseolus, Vigna Savi., Glycine Willd. соотношение
пыльца/семязачатки выше, чем у представителей
соответствующих культурных видов (Grant, 1981), что,
по-видимому, следует считать рудиментом некогда
присущей им системы перекрестного опыления.
Очевидно, что определенная степень аутбридинга,
существующая у автогамных форм, у диких видов выше,
чем у культурных.
Примером могут служить популяции дикорастущего вида
сои Glycine soja Siebold et Zucc., у которых выявлен
гораздо больший полиморфизм по сравнению с
культурным видом G. max (L.) Merr. как по числу
аллельных вариантов каждого локуса, так и по
гетерозиготности образцов (Дымина и др., 2001 ).
Высокую внутрипопуляционную генетическую
вариабельность связывают с довольно высоким уровнем
перекрестного опыления - 9,3-19 % у дикой сои, в то время
как у культурных форм этот показатель не превышает 0,02
% (Shimamoto, 1999).
Аналогичные данные можно привести для фасоли
обыкновенной. Культурный вид Phaseolus vulgaris L.строгий самоопылитель; у дикорастущих популяций, и
поныне произрастающих в горах Мексики, наблюдается
высокая степень ауткроссинга (Wall, Wall, 1975).
Селекция – эт о эволюция,
управляемая волей человека
(Вавилов, 1936)
Прежде всего популяции однолетних растений подвержены сильным
колебаниям численности в разные годы. Самоопыление позволяет каждой
такой популяции легче и быстрее восстановиться после понесенного
ею ущерба, когда она уменьшается до малого числа особей или даже
до единственного индивидуума. Кроме того, однолетние растения обычно
связаны с узко ограниченными и специфическими местообитаниями.
Благодаря самоопылению адаптация этих однолетних видов к таким условиям
оказывается вполне устойчивой, что дает им известные преимущества в борьбе
за жизнь..
Самоопыление – адаптивность
Более присущи культурным растениям
Аллогамия – пластичность
Более присущи диким видам
Механизмы самоопыления у бобовых:
 клейстогамия;
 контактная автогамия
(самоопыление в бутоне);
 гейтеногамия.
Клейстогамия - тип самоопыления, при котором опыление
происходит в нераскрывающихся цветках, имеющими черты
более или менее далеко зашедшей редукции: мелкие, невзрачные,
никогда не раскрываются полностью, не имеют нектара, иногда и
лепестков. Всегда фертильные.
Часто
имеет
экологический
характер
и
вызывается
неблагоприятными условиями: внешней среды: засухой, высокой
атмосферной влажностью, низкой или высокой температурой,
условиями освещения. (глубокая тень, несоответствие длины
фотопериода), затоплением водой, скудным минеральным
питанием, неблагоприятными почвенными условиями и т. д.
Виды, которые формируют бобы над
почвой и в почве (амфикарпы),
очевидно, клейстогамы:
Lathyrus amphicarpos L.
L.ciliolatus (L.)
L.cilicicus Hayek & Siehe
Vicia sativa L.
ssp.amphycarpa
(Boiss.)&Asch.Graevner
•
•
•
•
Бутонная автогамия (в частности, контактная
автогамия) - оплодотворение, осуществляющееся в
бутоне за счет непосредственного контакта рыльца и
пыльников, что по функциональному значению очень
близко к клейстогамии (Френкель, Галун, 1982).
Присуща:
Glycine max
Vigna radiata
Phaseolus vulgaris
Pisum sativum
Vicia sativa
V.faba
Гейтеногамия - перенос пыльцы с одного цветка на
рыльце др. цветка этого же соцветия/растения.
Механизмы перекрестного опыления у бобовых:
- дихогамия –несовпадение созревания пыльцы и рыльца
во времени:
протоандрия - созревание пыльцы предшествует
созреванию рыльца;
протогиния – рыльце становится восприимчивым до
того, как созрела пыльца.
- геркогамия - пространственная изоляция пыльцы от
собственного рыльца
(рыльце может потребовать механического
вмешательства для попадания на него пыльцы);
- самонесовместимость.
САМОНЕСОВМЕСТИМОСТЬ
Спорофитная
самонесовместимость
Гаметофитная
самонесовместимость
Нормальное
оплодотворение
Представители многих видов семейства Fabaceae имеют
поликомпонентные системы опыления, то есть одновременно
обладают определенной степенью самонесовместимости,
дихогамии (несовпадение созревания пыльцы и рыльца по
времени), геркогамии (пространственная изоляция пыльцы от
собственного рыльца), что при системном анализе можно
рассматривать как постепенную утрату перекрестного
способа опыления.
Об этом же свидетельствует утрата механизмов аттракции
насекомых самоопылителями и сохранение у некоторых
растений рудиментов этих механизмов (яркая окраска венчика
и наличие на нем контрастных пятен, флоральных
нектарников, запаха). При анализе систем репродукции у
культивируемых растений различных видов (культигенов) и
их диких родичей обнаруживается тенденция утраты
последними аллогамии при доместикации.
Pisum sativum L.
Бут онная авт огамия
Но морфология (устройство) цветка:
яркий венчик и наличие нектара
свидетельствуют о возможности
энтомофилии в прошлом.
Существует изменчивость во времени наступления
самоопыления:
 у крупносемянных Европейских сортов в крупных
наполовину открытых бутонах;
 у мелкосемянных Азиатских сортов - раньше.
В умеренном климате степень ауткроссинга – 0.2-7%.
Теплая и сухая погода способствуют ауткроссингу.
Рыльце сохраняет восприимчивость 8-10 дней.
Glycine Merr.
G.soja Sieb.
еt Zucc.
Бутонная автогамия
G.max (L.) Merr.
0,02-0,04%
Специальная селекция –
up to 4,0%
Степень
аутбридинга
9,3-19%
P/O ratio выше
Phaseolus L.
Перекрестники:
P. coccineus,
P. polyanthus
Самопылители:
P.acutifolius,
P. aureus,
P. vulgaris
Факультативный перекрестник - P.lunatus (преимущественно
самоопылитель)
Phaseolus vulgaris L.
Бутонная автогамия
Рыльце и пыльники заключены в лодочке,
практически недоступны для насекомых; однако
посещение насекомых случается и ПО возможно.
Но цветки при этом полностью автофертильны, что
многократно показано при выращивании растений в
условиях теплиц без наличия опылителей (Taylor,
1919, и др.).
Однако цветки диких популяций фасоли обыкновенной,
произрастающих в горах Мексики (P. vulgaris var. mexicanus)
привлекают насекомых. При использовании белковых маркеров был
выявлен высокий уровень ауткроссинга - до 50 % (Gepts,1997).
Phaseolus coccineus
Уровень генетической
изменчивости почти
одинаков у диких и
культивируемых
популяций
(H = 0. 187 to 0.27 1)
(Escalante et al., 1994).
Секреция нектара
обильнее, чем у P.vulgaris
.
Перекрестник
Из 41 вида, относящихся к 8 родам
подтрибы Phaseolinae только P. coccineus
L. является самонесовместимым (Arroyo,
1981). Однако и у этого вида выявлена
определенная степень автогамии: при
изоляции соцветий завязываются лишь
единичные бобы, при искусственном
триппинговании доля завязавшихся бобов
возрастает. Это свидетельствует о наличии
определенной степени
самонесовместимости и геркогамии.
Последняя обусловлена толстой
мембраной рыльца, для разрыва которой
необходимо механическое вмешательство,
а именно - нарушение замкового механизма
вскрывания цветка (Heslop-Harrison et al.,
1982).
Процесс доместикации не отразился ни на уровне генетического
разнообразия у культурных форм
P.coccineus , ни изменил его систему репродукции.
У большинства окультуренных видов процесс
доместикации снизил уровень генетического
разнообразия (Doebley, 1989).
У P.vulgaris генетическое разнообразие культурных
популяций H=0.041.
Дикие популяции из Центральной Мексики P.vulgaris var.
mexicanus обнаруживают уровень ПО до 50%.
(Vanderboargh, 1982).
Перекрестное самоопыления присуще в основном
диким видам.
Возможно потому что селекция направлена
преимущественно
на получение самоплодных форм.
Признаки
«синдрома
доместикации»
фасоли
Phaseolus
vulgaris L.:
Поздний
колумбийский
экотип
Кустовой скороспелый
североамериканский
экотип
- однолетность,
- индетерминантный и детерминантный тип
роста,
- уменьшение числа и укрупнение листьев,
- нерастрескиваемость бобов,
- наличие белосемянных форм,
- укрупнение семян,
- преобладание в семенах белков типа
альбуминов и глобулинов,
- преобладание средне- и раннеспелых
форм,
- разная реакция на фотопериод и др.
Перекрестное опыление
Самоопыление
Vicia faba L.
Степень перекрестного опыления– 0-100%
Система опыления некоторых сортов бобов из
коллекции ВИР в условиях Ленинградской обл.
СО
СО-ПО
• Mikko (Finland),
• Местный (Afghanistan)бутонная автогамия
•Местный(Pakistan)
•Top-less (Sweden),
• Aushra (Lituania)
СО
Fidrim
(Чехословакия)
Показаны также различия сортов по ритму цветения, который
взаимосвязан со временем активности насекомых опылителей, а степень активности последних прямо связана
со степенью ауткроссинга (Семенова, 1983).
Vicia faba L.
Выявлены закономерности, которые могут быть важными для
выбора методологии поддержания образцов.
 Насекомые-опылители летают преимущественно вдоль делянок, а
именно, вдоль рядков посева, а не наоборот, то есть производят
преимущественно внутрисортовое переопыление, если в ряду
посеяны семена одного сорта.
 Насекомые способствуют увеличению степени самоопыления,
чисто механически встряхивая цветки. При этом перекрестное
опыление обеспечивают медоносные пчелы (Apis mellifera L.) и
шмели (Bombus hortorum L.), которые наиболее активно посещают
цветки во время их массового цветения, а самоопыление - шмели (B.
lucorum L.), прокусывающие основание чашечки, и пчелы,
проникающие внутрь цветка через эти отверстия для посещения
внефлоральных нектарников.
(Волузнева, 1971)
Пространственная изоляция не менее 1000 м рекомендуется
на открытом поле
и 500 м если есть высокие
кулисные культуры или другие изолирующие барьеры
Vicia L.
Самоопылители:
V.multicaulis,
V.villosa
ssp. eriocarpa,
ssp. varia,
ssp. villosa.
V.villosa Roth.
Перекрестники:
V.articulata,
V.bengalensis,
V.cracca,
V.ervilia,
V.hirsuta,
V.humilis,
V.lathyroides,
V.lutea,
V.nana,
V.narbonensis,
V.peregrina,
V.pisiformis,
V.sativa
ssp.amphycarpa,
ssp.cordata,
ssp.nigra,
ssp.sativa,
V.tetrasperma
V.sativa L.
ssp.sativa
Промежуточный способ опыления -V.pannonica – % завязывания плодов
выше у триппингованных цветков.
Продуцирует нектара в больших количествах и более продолжительное время,
чем другие культивируемые виды (Schoth, 1923).
Самоопылители - преимущественно однолетники
Перекрестники - преимущественно многолетники
Lupinus L.
Перекрестники:
L. arizonicus,
L. nanus ssp. latifolius,
L. polyphyllus,
L. sparsiflorus,
L. texenis,
L. truncatus
Самоопылители:
L. albus,
L. angustifolius
L. bicolor
L. nanus,
L. pachylobis
L. pilosus,
L. polycarpus
Промежуточный - L.arboreus, L. luteus, L.mutabilis
Lupinus polyphyllus Lindl.
Сист ема семенного размножения
совмещает ::
- Част ичную дихогамию (прот андрию);
- Част ичную геркогамию (корону волосков
рыльца);
- Част ичную самонесовмест имост ь.
В изоляторах без
вмешательства
завязываемость
плодов -4,5-4,7%
После искусственного
самоопыления
завязываемость
плодов - 4,7-21,0%
Совместное действие
всех механизмов ПО приводит
к абсолютной
автостерильности вида
(Вишнякова, 1992)
Lathyrus L.
Перекрестники:
L.latifolius,
L.sylvestris,
L.tuberosus
Самоопылители:
L.sylvestris L.
Промежуточный – L.odoratus
Самоопылители преимущественно однолетники
Перекрестники преимущественно многолетники
L.annuus,
L.aphaca,
L.articulatus
L.cicera,
L.hirsutus,
L.nissola,
L.ochrus,
L.setifolius,
L.sativus,
L.tingitanus
Lathyrus L.
Самоопылители:
Перекрестники:
Окраска цветка
Яркая
L.latifolius
Бледная или темная
10
L.sylvestris
L.tuberosus
Обильная
Средиземноморье
Число цветков
в соцветии
1-2
7
3
Нектаропродуктивность
Географ.
распространение
(для L.sativus)
Меньше
Средняя и
Восточная Азия
Cicer L.
Cicer arietinum L.- самоопылитель.
Степень перекрестного опыления может
достигать 2%
(Niknejad, Khosh-Khui, 972).
7 однолетних диких видов тоже
самофертильны
(Ladizinsky & Adler, 1976).
Нет данных по многолетним диким видам.
Lens L.
Lens culinaris Medik.самоопылитель
Данные о наличии перекрест ного
опыления от сут ст вуют
Vigna Savi.
Vigna radiata (L.) R.Wilszek. – самоопылитель, но
может опыляться насекомыми, которых привлекают
обильные внефлоральные нектарники. Рыльце
восприимчиво только один день (Robbins (1931;
Warnock and Hagedorn, 1964 ). Опылителями могут
быть преимущественно шмели.
Главные культивируемые виды
 V.unguiculata. (L.) Walp.,
 V. mungo (L.) Hepper,
 V. angularis (Willd.) Ohwi et Ohashi)
считаются самоопылителями.
V.pedincularis
Выводы для практики:
1. Поддержание и размножение образцов коллекции
должно осуществляться с учетом системы
семенного размножения вида, сорта, популяции!
2. Селекционная работа с культурой не
возможна без знания системы ее репродукции.