Изучение биологических особенностей цветения культуры флокс метельчатый (Phloxpaniculata L.)

Оригинальная статья / Original article УДК: 635.9:631.547.4

Ф локс метельчатый ( Phlox paniculata L.) — это многолетнее травянистое растение семейства

Синюховые (Polemoniaceae Juss.), родиной которого является Северная Америка [1, 2]. Флокс имеет прямостоячий стебель, достигающий высоты 2 метра, цельнокрайние листья, сидячей ланцетной или овально-ланцетной формы, правильные цветки, собранные в метельча- тые соцветия, различные по размеру, плотности и форме, цветение длительное [1]. В средней полосе РФ флокс зарекомендовал себя как эффектное садовое высокодекоративное растение, выращиваемое в отечественных садах уже более 100 лет [2, 3].

Флокс метельчатый — перспективная декоративная культура для использования в озеленении: благодаря разнообразию сортов и окрасок, неприхотливости, морозостойкости и приспособленности к различным типам почв [2, 4].

В условиях импортозамещения особенно важно проводить целенаправленную селекцию данной культуры для получения устойчивых к городским условиям, вредителям и болезням новых отечественных сортов, способных не только удовлетворить отечественного потребителя, но и составить серьёзную конкуренцию популярным иностранным селекционным достижениям [5, 6].

Обязательным условием успешного полового размножения цветковых растений для получения новых форм и сортов является продуцирование фертильной, морфологически полноценной пыльцы. Данный процесс контролируется ядерными и цитоплазматическими генами, при нарушении работы которых в ходе мутаций происходят аномалии в формировании мужской генеративной сферы. Образование качественной пыльцы является важным фактором, обеспечивающим нормальное оплодотворение и дальнейшее развитие завязавшихся семян [7, 8]. Пыльцевые зерна обладают уникальными биологическими характеристиками и содержат большое количество генетической информации, из-за чего в некоторых исследованиях их предлагают использовать для идентификации видов и сортов некоторых сельскохозяйственных культур [8].

Кроме внутренних механизмов растительного организма на формирование качественных пыльцевых зёрен активно воздействует ряд внешних факторов: температурный и световой режим, влажность и загрязненность среды [7, 9-11]. В современных исследованиях пыльцевой анализ предлагают использовать в качестве компо- нента фитоиндикации [12]. Связано это с тем, что в пыльце растений, распространенных на загрязненных территориях, наблюдаются негативные изменения структуры пыльцевого зерна, морфологическая незрелость и стерильность [12].

Пыльцевой анализ – это важный метод исследования, позволяющий определять репродуктивный потенциал отбираемых родительских растений. Он основан на изучении морфологических и биологических особенностей пыльцы: структуры экзины, выполненности, фертильности и жизнеспособности пыльцевых зёрен [4, 8, 10]. Определение данных характеристик у цветущих растений, позволяет судить об особенностях процесса полового размножения. Показатели жизнеспособности пыльцевых зёрен при скрещивании самонесовместимых растений напрямую влияют на качество семенной продукции и позволяют прогнозировать объем результативных скрещиваний. Поэтому для оптимизации селекционного процесса важно предварительно определить степень жизнеспособности пыльцы исходного материала.

Все эти характеристики приоритетны при проведении селекционных работ как с целью получения продуктивного потомства, так и наоборот для отбора экземпляров с мужской стерильностью [7, 9]. При повышенной продуктивности родительских особей селекционер имеет возможность получать высокий процент рекомбинации генов в потомстве, что будет влиять на разнообразие доступных для отбора потенциально ценных фенотипически различных образцов [8]. Мужскую же стерильность используют в качестве инструмента контроля и способа оптимизации гибридизации в гибридной селекции растений [7].

Цель данной работы – изучение биологических особенностей цветения и опыления флокса метельчатого с точки зрения оптимизации селекционного процесса и отбора перспективных родительских пар для дальнейшей гибридизации.

Материалы и методы

Исследования проводили на протяжении 2 лет (20222023 гг.) на базе биоресурсной коллекции отечественных сортов флокса метельчатого. Коллекция расположена в условиях открытого грунта на территории ГБС РАН им. Н.В. Цицина и представлена 67 сортами отечественной и иностранной селекции. Для данной работы были отобраны 11 сортов, объединенных по срокам цветения (вторая половина июля – начало августа).

Таблица 1. Коллекция (фрагмент) отечественных сортов флокса метельчатого (ГБС РАН им. Н.В. Цицина, куратор Кудусова В.Л., 2022-2023 годы)

Table 1. Collection (fragment) of Garden phlox domestic varieties

(Tsitsin’s Main Botanical Garden of the Russian Academy of Sciences, curator V.L. Kudusova, 2022-2023)

№ п/п 1	Наименование сорта Атласный	Оригинатор Берлизов Н.М.	Год регистрации 1954
2	Белоснежка	Краснова И.С.	1954
3	Врубель	Репрев Ю.А.	1987
4	Гегеры	Не известен	до 1963
5	Жуковский	Репрев Ю.А.	1982
6	Манон	Бединггауз М.П.	1941
7	Катюша	Краснова И.С.	1952
8	Машуня	Захарова З.Г.	1990
9	Оленька	Гаганов П.Г.	1938
10	Руслан	Гаганов П.Г.	1937
11	Сказка	Гаганов П.Г.	1938

Особенности биологии цветения и опыления данных сортов изучали в фазу массового цветения отобранных образцов согласно общепринятой методике ГСИ и другим [13, 14].

Для исследования пыльцы собирали целые цветки во избежание нарушения целостности пыльников. Сбор, окраска и цитологические исследования проводили в течение одного дня, с целью сохранения пыльников и пыльцевых зерен от высыхания и поражения грибными патогенами. Для анализа формы, размеров, выполненности, фертильности пыльцевых зерен использовали методики окрашивания пыльцы ацетокармином и по Александеру [8, 15]. Для каждого сорта окрашивали образцы пыльцы, собранные из окрашенных бутонов, раскрывшегося цветка первых суток цветения и увядающего цветка. Подсчет и измерение осуществлялось в двухкратной повторности в 4 полях зрения микроскопа Zeiss Primo Star с помощью USB камеры-адаптера [16].

Результаты и их обсуждение

Морфология цветка. Для многих представителей семейства Синюховые, в том числе для флокса метельчатого, характерны следующие общие черты строения генеративных органов: цветки пазушные, правильные, обоеполые, собраны в метельчатые соцветия

[15, 17]. Чашечка у флокса трубчатая, с пятью надрезами, разделяющими ее на длинные узкие чашелистики. Венчик тарельчатый от 1,2 до 5,2 см в диаметре, состоит из пяти лепестков (округлой, волнистой, прямоугольной и др. форм) и тонкой цилиндрической труб- ки, часто отличающейся по окраске от лепестков (рис. 1) [15, 18, 19].

Важно отметить, что согласно методике ГСИ часть морфологических особенностей цветка для флокса метельчатого является сортовым признаком. По характеристикам венчика исследуемые сорта можно классифицировать следующим образом:

• •    степень развития венчика: у всех исследуемых сортов венчик развит полностью; наглядным примером с недоразвитым венчиком может служить голландская серия сортов Feelings селекционера Рене ван Гаалена;

• •    диаметр венчика - маленький: Врубель, Жуковский, Машуня, Оленька; среднего размера: Атласный, Белоснежка, Гегеры, Манон, Сказка, Рулан; большой: Катюша;

• •    расположение лепестков у нормально развитого венчика – слабо перекрываются: Врубель, Жуковский, Манон, Оленька; сильно перекрываются: Атласный, Белоснежка, Гегеры, Катюша, Машуня, Руслан;

• •    профиль венчика - вогнутый: Атласный, Манон, Машуня; плоский: Белоснежка, Врубель, Гегеры, Жуковский, Катюша, Оленька, Руслан, Сказка.

Окраска цветка варьирует от белой до насыщеннофиолетовой, что зависит от уровня содержания антоцианов в цветках. В связи с чувствительностью антоцианов к температурному режиму окружающей среды, окраска цветка может несколько изменятся как при смене сезона, так и в течение суток у некоторых особенно чувствительных к степени освещенности сортов (Синеющий Гаганова, Blue Paradise и др.) [18].

Цветок имеет пять прикреплённых на различной

Рис.1.Цветки и бутоны сортов флокса в различных стадиях цветения:а) Врубель;б) Манон;в) Сказка Fig.1.Flowers and buds ofphlox varieties in various stages offlowering:a)Vrubel;b)Manon;c)Skazka

высоте тычинок. Для флокса метельчатого характерна гетеростилия: 2-3 тычинки подняты до уровня лепестков или выше, остальные располагаются внутри цветка (обычно 1 тычинка размещается ниже уровня рыльца пестика). Пестик же в большинстве случаев редко выступает наружу цветка. Завязь у пестика верхняя, трёхгнёздая, столбик нитевидный, рыльце трёхраздельное [1].

Для флокса метельчатого характерна протоандрия – пестик созревает позже тычинок, с интервалом около 2-3 дней [18]. При созревании рыльце пестика разделяется на 3 части, направленные в разные стороны одной плоскости. До созревания пестика эти части представляют удлиненную головку.

По методике ГСИ по расположению пыльников исследуемые сорта группируются следующим образом:

Интрорзные пыльники имеют желтую окраску и подвижность, содержат в себе желтовато-белую пыльцу, растрескиваются после распускания цветка. Пыльцевые зерна сфероидальные от 25 до 50 мкм в диаметре (в зависимости от сорта). Экзина имеет сетчатую структуру с округлыми порами, её толщина 4-6 мкм [8, 18]. Поверхность экзины пылинки в зависимости от сорта имеет различный по форме рисунок, с большим количеством выростов (шипов).

Структура синфолресценции. Цветки флокса собраны в сложные фрондулозные соцветия, находящиеся на концах побегов (рис. 2). Верхушка соцветия заканчивается терминальным цветком, то есть соцветие ограниченное. По строению соцветие является метелкой: сверху до низу оно становится все более сильно и нерегулярно разветвленным. Парциальные соцветия имеют сложный ботриоидный характер [18].

Метелки флокса могут быть весьма разнообразными по форме: овальными, овально-коническими (Белоснежка, Врубель), округлыми (Жуковский, Манон, Сказка), округло-коническими (Атласный, Катюша, Оленька, Руслан), цилиндрическими, узкоцилиндрическими, наклоненными овально-коническими (Гегеры, Машуня), дробно-коническими, коническими с выступом, плоскими и плоскоокруглыми [1].

Характеристика цветения. По срокам цветения флоксы делят на ранние сорта (перв. пол. VII), средние сорта (кон. VII - нач. VIII), поздние сорта ( третья декада VIII) [20]. По продолжительности цветения выделяют сорта длительноцветущие (более 35 суток) и средней продолжительности цветения (25-35 суток) [20]. Благодаря этому флоксы можно активно использовать для создания монокультурных посадок с продолжительным сроком декоративности.

Для флокса метельчатого характерно акропетальное зацветание – цветение начинается с верхушки к основанию, однако терминальный цветок обгоняет боковые, прилегающие к нему. Продолжительность функционирования одного цветка варьирует от 3 до 15 дней [18, 21]. Для многих сортов характерно второе цветение, по декоративности не уступающее первому [1].

Качественное и количественное исследование пыльцы. Ацетокарминовый метод окрашивания пыльцевых зерен является одним из наиболее удобных и простых способов оценки фертильности пыльцы, однако в ходе исследования установлено, что менее популярный метод Александера является более чувствительным и позволяет более четко дифференцировать пыльцевые зерна флокса по фертильности (см. рис. 3).

При окрашивании пыльцы по двум методикам можно было наблюдать весьма наглядную разницу в чувствительности методов: при окраске ацетокармином не

Рис.2.Строение соцветия флокса метельчатого (сорт Аккурат):А – главное соцветие;Б – соцветие паракладиев (парци-альное):1 – верхушечный цветок;2 – прицветник;3 – цветонос;4 – лист;5 – паракладий;6 – главная ось;7 – коробочка Fig.2.The structure ofthe garden phlox inflorescence (variety Akkurat):A – the main inflorescence;B – the inflorescence ofthe paracla-dia (partial):1 – apicalflower;2 – bract;3 – peduncle;4 – leaf;5 – paracladium;6 – main axis;7 – seed box

Рис.3.Микрофотографии пыльцевых зерен флокса метельчатого (сорт Машуня),собранных с одного распустившегося цветка:слева – ацетокарминовый метод (фертильных выполненных пыльцевых зёрен — 86,7%),справа – метод окрашивания по Александеру (фертильных выполненных пыльцевых зёрен — 41,4%)

Fig.3.Micrographs ofgarden phlox pollen grains (Mashunya variety)collected from one blooming flower:on the left – acetocarmine method (fertile pollen grains — 86.7%),on the right – Alexander’s staining method (fertile pollen grains — 41.4%)

окрашивались только мелкие невыполненные пыльцевые зёрна, в то время как по методике Александера их окраска зависит именно от фертильности, а не размера и выполненности.

использовать свежую пыльцу, собранную из распустившихся и увядающих цветков, так как именно в этих фазах показатель фертильности пыльцы у некоторых сортов превысил 50% от общей массы.

а)                                        б)                                        в)

Рис.4.Окрашивание ацетокарминовым раствором пыльцевых зёрен флокса метельчатого сорта Манон:а) стадия окрашенного бутона (фертильных пыльцевых зёрен – 1,5%);б)распустившийся цветок (фертильных пыльцевых зёрен – 3,7%); в) увядающий цветок (фертильных пыльцевых зёрен – 0%)

Fig.4.Staining ofthe Manon variety garden phlox pollen grains with acetocarmine solution:a)the stage ofa colored bud (fertile pollen grains – 1.5%);b) a blooming flower (fertile pollen grains – 3.7%);c)a withering flower (fertile pollen grains – 0%)

При проведении окрашивания пыльцевых зёрен изучаемых сортов ацетокарминовым раствором, было установлено, что пыльца сорта Манон является деформированной на всех стадиях цветения и практически не окрашивается красителем, что говорит о возможной мужской стерильности у данного сорта (см. рис. 4). Также сорт характеризуется весьма скудным количеством образуемых пыльцевых зёрен.

В результате подсчёта окрашенных по методике Александера пыльцевых зёрен было установлено, что пыльца, собранная с изучаемых сортов флокса метельчатого, имеет значительную достоверную разницу по уровню фертильности не только в зависимости от сорта, но и от фазы цветения цветка (таблица 2).

В ходе анализа установлено, что для проведения искусственного опыления флокса рекомендуется

Наибольший уровень фертильности пыльцы установлен у сортов Сказка (71,2% и 55,1%), Оленька (63,2% и 54,2%) и Гегеры (66,7%). Разница в показателе фертильности пыльцы в рамках фаз цветения с другими сортообразцами значительно превысила показатель НСР05=10,8.

При этом у сортов Оленька и Сказка разница уровня фертильности в рамках одного сорта у пыльцы, собранной с распустившихся и увядающих цветков не превышает НСР05 = 19,8, что свидетельствует о возможности её сбора, хранения и дальнейшего использования в селекционном процессе.

У остальных сортов показатель фертильности не превышал 50% на всех исследуемых фазах цветения, а также между ними не было установлено достоверной разницы.

Таблица 2. Результаты исследования фертильности пыльцы в зависимости от стадии развития цветка у сортов флокса метельчатого по м. Александера

Table 2. The results of a pollen fertility study depending on the stage of flower development in garden phlox varieties according to Alexander’s method

№	Название сорта	Фертильность пыльцы в окрашенном бутоне, %	Фертильность пыльцы в распустившемся цветке, %	Фертильность пыльцы в увядающем цветке, %	НСР05
1	Атласный	12,9	48,9	28,7
2	Белоснежка	5,4	39,6	29,7
3	Врубель	17,1	35,7	14,9	19,8
4	Гегеры	29,1	66,7	39,3
5	Жуковский	23,4	35,6	19,3
6	Катюша	12,5	24,5	13,8
7	Машуня	12,0	41,4	27,2
8	Оленька	44,3	63,2	54,2
9	Руслан	14,6	46,1	29,8
10	Сказка	41,3	71,2	55,1
НСР05	10,8

Заключение

В ходе исследования был установлен ряд биологических и морфологических особенностей флокса метельчатого. Проведен анализ репродуктивного потенциала отобранных сортов с помощью исследования фертильности пыльцы. Исходя из результатов проведенной работы, флокс метельчатый — перспективная культура для селекции благодаря целому ряду установленных биологических особенностей у изучаемых сортов.

Для флокса как ценной декоративной культуры характерно внутривидовое морфологическое разнообразие: вариативность плотности и строения соцветия; окрасок, форм и размеров цветка. Повышает актуальность использования флокса метельчатого в озеленении длительность цветения (35 и более суток) и разные сроки его начала (с середины июня и до конца августа), а также способность некоторых сортов к повторному цветению.

При проведении анализа фертильности пыльцы флокса с помощью окрашивания ацетокармином установлена перспектива использования сорта Манон как источника мужской стерильности в рамках селекционного процесса (окрашивалось менее 5% пыльцевых зёрен).

Метод Александера более точный и чувствительный для оценки фертильности пыльцы флокса метельчатого, чем окраска ацетокармином, так как позволяет более точно дифференцировать окрашенные пыльцевые зерна по степени их фертильности,вне зависимости от их размера и выполненности.

При оценке фертильности пыльцы по методике Александера были выделены наиболее перспективные сорта-опылители, отличающиеся высоким уровнем фертильности пыльцы: Сказка (71,2%), Оленька (63,2%) и Гегеры (66,7%). Для подтверждения данного утверждения в дальнейшем будут проведены исследования фертильности пыльцы с помощью проращивания пыльцевых трубок на питательной среде.

the Colombian Coffee Collection for the genetic improvement of Coffea arabica L. PLoS ONE. 2023;18(9):e0291264.

• • References (In Russ.)

Об авторах:

Анастасия Ивановна Соколкина – аспирант, ассистент кафедры ландшафтной архитектуры, , ResearcherID: ACP-5924-2022, автор для переписки, , SPIN-код: 5526-4005 Ольга Евгеньевна Ханбабаева – доктор сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник, , ResearcherID: AAE-1122-2022, Scopus Author ID: 57394370300, , SPIN-код: 9084-1202

Anastasia I. Sokolkina – graduate student, assistant at the Department of Landscape Architecture, , ResearcherID: ACP-5924-2022,

Olga E. Khanbabaeva – Dr. Sci. (Agriculture), leading researcher, ,

ResearcherID: AAE-1122-2022, Scopus Author ID: 57394370300,

Vladimir N. Sorokopudov – Dr. Sci. (Biology), Professor,

Leading Researcher at the Laboratory of Chemistry of Natural Compounds, ,

SPIN-code: 6202-7770

ISSN 2618-7132 (Online) Овощи России №5 2024      [ 44 ] Vegetable crops of Russia №5 2024 ISSN 2072-9146 (Print)