Изучение динамики цветения льна в условиях юга Португалии

Изучение динамики цветения и опыления каждой культуры очень важно для установления возможности перекрестного опыления во время открытого цветения и разработки методов скрещивания, которые являются основой современной селекции. Процессы развития бутонов, цветения, опыления и оплодотворения у льна были хорошо изучены в различных районах России. Фундаментальные исследования биологии цветения были проведены в 1940 г. в Смоленской области (З. Н. Бородич, 1940). В этом исследовании у льна впервые была открыта протогения. Автор установил, что яйцеклетки созревают за день до цветения. На основе этого была разработана простая методика скрещивания – опыление бутонов «завтрашних» цветков без кастрации. Такие бутоны можно было отличить по появлению конуса лепестков над чашелистиками. Эта техника и по сей день широко используется в России, но для полной уверенности в гибридном происхождении полученных семян, из материнского бутона удаляются тычинки. В этой же работе было установлено, что цветение начинается примерно в 6.30 утра. Очень важно, что автор упоминает о зависимости динамики цветения от генотипа и условий окружающей среды. Пыльники раскрываются через некоторое время после распускания цветков. Таким образом, рыльце имеет некоторое время для опыления чужой пыльцой, что доказывает возможность перекрестного опыления. С другой стороны, было установлено, что чужеродная пыльца не имеет селективных преимуществ. Время от опыления до оплодотворения составляет 2,5- 3,5 часа.

В 50-х годах изучение биологии цветения было продолжено в Ленинградской области (И. А. Сизов, 1955; М. А. Сизова, 1958). В этих исследованиях основные результаты предыдущего автора были подтверждены. В работах говорилось о влиянии погодных условий на динамику цветения, но никакие конкретные температуры не упоминались. Только с 60-х годов ученые стали следить за температурой во время изучения цветения. В Кустанайской (В. П. Бойцова, 1964) и Калининской (Г. В. Дунаева, 1970) областях было установлено, что низкие температуры (менее 15 оС) задерживают оплодотворение на несколько часов. В Краснодарском крае температура во время цветения льна поднимается выше 25 оС. Здесь лепестки начинают раскрываться в 5 часов утра, а пыльники раскрываются в 6-7 часов. Жаркая и сухая погода ускоряет цветение, а холодная, наоборот, замедляет (Ф. М. Галкин, 1987). Здесь необходимо напомнить, что в этих регионах лён выращивается как яровая культура, и с 1982 года в СССР было введено летнее время. На Украине установили, что наиболее благоприятной для скрещивания температурой является 19-21 оС, а в холод (ниже 13 оС) оплодотворение неэффективно (Л. В. Пашина, 1986). Сходная динамика цветения наблюдается в Великобритании (I. H. Willams, 1990). В этом исследовании было показано, что сырая погода замедляет распускание бутонов, а раскрывшиеся цветки сохраняют лепестки до следующего утра, закрываясь на ночь.

Двухлетние попытки проведения скрещиваний на юге Португалии показали, что процесс оплодотворения не подчиняется здесь таким регулярным законам как в России и Англии. В связи с этим были предприняты специальные исследования.

Материал и методы. Изучение цветения льна проводилось на юге Португалии с использованием двух сортов льна-долгунца Белинка и Элизе и двух межеумков коммерческого сорта Микаэл и сорта народной португальской селекции – Марта.

Динамика развития пыльцы и оплодотворения изучалась цитологическим методом у сортов Белинка и Элизе весной 1999 г. Цветки и бутоны с появившимся конусом лепестков собирали 13 раз в день: в 7.30, 8.30, 9.30, 10.30, 11.30, 12.30, 16.00, 16.30, 17.00, 17.30, 18.00, 18.30, 19.00. Их фиксировали смесью CH 3 COOH и C 2 H 5 OH в соотношении 1 : 3. После чего материал помещался на хранение при температуре –20 ^оС. Цветки и бутоны собирали 16 апреля (с растений, посеянных зимой), а также 15 и 25 мая (с растений, посеянных весной).

Для цитологического анализа растительный материал готовили методом Кхо и Бефра (1968). Завязи, пыльники и столбики изучались с использованием флуоресцентного микроскопа.

Для наглядности представления результатов, весь процесс развития бутонов и цветков разбили на 11 стадий:

• 1    стадия – вершины тычинок ниже середины завязи;

• 2    стадия - вершины тычинок на уровне середины завязи;

• 3    стадия – начало развития пыльцы;

• 4    стадия – тычинки на уровне столбиков;

• 5    стадия – начало созревания пыльцы, тычиночные нити полностью развиты;

• 6    стадия – пыльца созрела и готова к высыпанию;

• 7    стадия – высыпание пыльцы;

• 8    стадия – начало прорастания пыльцы, пыльцевые трубки в первой трети столбика;

• 9    стадия – прорастание пыльцы, пыльцевые трубки во второй трети столбика;

• 10    стадия – прорастание пыльцы, пыльцевые трубки в последней трети столбика;

• 11    стадия – оплодотворение.

Динамика развития бутонов и цветков изучалась весной 2000 и 2002 гг. на растениях, высеянных зимой. В эти годы погода была значительно холоднее, чем в 1999 г. В 2000 г. на делянках площадью в 1 м2 высевались сорта льна-долгунца Белинка и Элизе. По 10 растений каждого генотипа в двух повторностях были маркированы для дальнейших наблюдений. В 2002 г. в аналогичных условиях изучалось по 30 растений в трех повторностях у четырех сортов: Белинка, Элизе, Микаел и Марта. Количество бутонов и цветков на каждом растении подсчитывалось 6 раз в день – в 7, 9, 11, 13, 15 и 18 часов. Наблюдение за развитием каждого отдельного бутона продолжалось до опадения лепестков. В течение всего периода наблюдений фиксировалась максимальная дневная температура воздуха.

Результаты и обсуждение. Изучение динамики созревания пыльцы, ее прорастания и оплодотворения показало зависимость этих процессов от температурных и влажностных условий. Оба изученных сорта льна-долгунца Белинка и Элизе развивались одинаково. Первый день наблюдений 16 апреля 1999 г. был умеренно теплым (около 20 ^оС) и пасмурным. Бутоны начали свое развитие с первой стадии рано утром и остановили его на 6 стадии до 16 часов, имея полностью зрелую пыльцу (рис. 1). Цветки утром находились на этой же стадии (рис. 2). Пыльца высыпалась к 9.30. В 11.30 началось ее прорастание. К 19.00 произошло оплодотворение.

Два других дня изучения были сухими и очень жаркими (30 оС и выше). Генеративное развитие льна в этих условиях шло одинаково. Бутоны, как и в первом случае, начали развитие с первой стадии, но пыльца созрела уже к полудню. Наиболее интересен тот факт, что бутоны при этом не перестали развиваться. Пыльца высыпалась, проросла на рыльце и достигла зародышевого мешка. 15 мая оплодотворение произошло в закрытых бутонах в 18.30. Цветки, раскрывшиеся в этот день, начали развитие с 6 стадии, как и 16 апреля. Но все процессы проходили очень быстро, и оплодотворение произошло к полудню. 25 мая при температуре выше 30 оС и очень низкой влажности некоторые пыльцевые трубки погибли, не достигнув зародышевого мешка.

- - + - - 16,04,1999—■  15,05,1999—*  25,05,1999

Рисунок 1 – Динамика развития бутонов у сортов льна-долгунца по данным цитологического анализа

Рисунок 2 – Динамика развития цветков у сортов льна-долгунца по данным цитологического анализа

В 2000 и 2002 гг. весенние температуры были гораздо ниже, чем в 1999. Изучение развития бутонов в холодных условиях еще раз подтвердило зависимость цветения от погодных условий. Кроме того, проявились различия в реакции на холод между сортами и, особенно между типами льна. Прежде всего, необходимо отметить, что конусы лепестков могут появляться в любое время дня. В теплую погоду (t 20 оС) бутоны дол-гунцов раскрываются на следующий день после появления лепестков между чашелистиками (рис. 3, 4). У межеумков они находятся на этой стадии два дня, иногда – 3, если конус появляется вечером. В холодную погоду бутон с появившимися лепестками может сохраняться несколько дней, в зависимости от температуры и сорта. Если конус появляется в холодных условиях, то бутон остается закрытым несколько дней. В оба года изучения Белинка и Элизе увеличивали сроки развития бутонов при снижении температуры.

Рисунок 3 – Средняя продолжительность развития бутонов от появления конуса лепестков до цветения в 2000 году (дни)

В общем, аналогичная тенденция была характерна и для Микаела и Марты. Но в самые холодные дни (11-12 оС) развитие значительно ускорялось. Наиболее длительный период сохранения бутонов составил 7-8 дней, соответствующие цветки раскрылись через несколько дней после воздействия температуры в 16 оС. График четко показывает, что дол-гунцы и межеумки сильно отличаются друг от друга. Белинка более устойчива к холоду, чем Элизе. В самый холодный период 2000 г. у Элизы бутоны значительнее отставали в развитии от нормы, чем у Белинки. Даже после повышения температуры стабилизация развития у Элизы происходила медленнее. Кроме того, этот сорт зацветает позднее, чем Белинка. Это говорит о том, что для цветения Элизе нуждается в более высоких температурах.

Рисунок 4 – Средняя продолжительность развития бутонов от появления конуса лепестков до цветения в 2002 году (дни)

Различия между типами льна и сортами долгунцов подтверждаются и сравнением общего числа образующихся бутонов и цветков (рис. 5). Все 4 сорта увеличивали количество бутонов с ростом температуры, и наоборот сокращали его при похолодании. Долгунцы не раскрывают большого количества цветков в самый холодный период. 7 апреля, когда температура не превысила 11 оС, Элизе вообще не цвела. Но у межеумков наоборот в этот день раскрылось много цветков, и сократился период развития бутонов.

А

Дата

Б

Дата

В

Дата

Г

Дата

Рисунок 5 – Образование бутонов и цветков у льна в зависимости от температуры в 2002 г. А – Белинка, Б – Элизе, В – Микаел, Г – Марта Обозначения:

– Количество бутонов с появившимся между чашелистиками конусом лепестков (в данный день).

– Количество раскрывшихся цветков (в данный день).

– Среднее количество дней развития бутонов от появления конуса лепестков до цветения для цветков, раскрывшихся в данный день.

– Максимальная температура воздуха в данный день.

При низкой температуре проявился еще один интересный феномен. В холодную дождливую погоду венчик на цветках льна может сохраняться более одного дня. У сортов Микаел и Марта это случается чаще, чем у долгунцов, и лепестки живут дольше, иногда до 4 дней. Интересно, что иногда пыльца тоже сохраняется на пыльниках более суток. Что касается сортов льна-долгунца, то и по этим признакам Белинка более устойчива к воздействию условий среды, чем Элизе.

Анализ всех полученных данных показывает, что увеличение температуры стирает различия между сортами. С похолоданием проявляется различная реакция сортов на более низкие температуры.

Скрещивания, проведенные в Португалии в 1998, 1999 и 2000 годах с применением «российской» технологии, не дали хороших результатов. Теперь мы можем сказать, что причиной этого были различия в динамике развития бутонов, зависевшие от климатических условий двух стран. Чтобы разработать методику скрещивания для условий Португалии, в 2002 г. был проведен специальный эксперимент. Бутоны сорта Микаэл опылялись его же пыльцой. Так как в норме бутоны межеумков развиваются 2 дня, а в определенных условиях цветки с лепестками и пыльцой могут сохраняться более суток, скрещивания проводили по нескольким схемам. В первом варианте 70 маленьких бутонов, развивающихся первый день после появления конуса лепестков, были кастрированы и опылены пыльцой нормальных цветков, живущих один день. Этот метод не дал никаких результатов. Значит, в маленьких бутонах пестик и яйцеклетка еще не созрели. В следующем варианте 10 больших бутонов, развивавшихся уже второй день, также опылили пыльцой нормальных цветков. У всех произошло оплодотворение. Таким образом, эти бутоны имеют полностью зрелые столбик и яйцеклетку. В третьем варианте 20 больших бутонов второго дня развития были опылены пыльцой цветков, раскрывшихся в этот же день, но сохранивших венчик и в последующем. 18 из них завязали семена. Это означает, что в первый день жизни цветка пыльца жизнеспособна. В четвертом варианте 40 таких же больших бутонов опылили пыльцой с цветков, сохранивших лепестки и вновь раскрывшихся уже на второй день. В результате образовалась только одна коробочка без семян. Это указывает на то, что ко второму дню пыльца погибает.

На основе всех изложенных результатов была предложена новая методика скрещивания для районов с жарким климатом. Его желательно проводить на растениях, высеянных под зиму. На материнском растении для кастрации следует выбирать бутоны с полностью развитым конусом лепестков и готовые к цветению на следующий день. Опыление можно проводить сразу же. В качестве отцовских нужно выбирать только цветки, раскрывшиеся в день скрещивания.