Пыльцевой анализ линий селекционно-генетической коллекции подсолнечника
Автор: Демурин Я.Н., Рубанова О.А., Мелейчук А.В.
Рубрика: Селекция, семеноводство и биотехнология сельскохозяйственных растений
Статья в выпуске: 1 (197), 2024 года.
Бесплатный доступ
Настоящее исследование посвящено изучению продуктивности пыльцы и её морфологической гетерогенности у линий селекционно-генетической коллекции подсолнечника. Исследования проводили во ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК, г. Краснодар, в 2022-2023 гг. Использовали линии коллекции: ВК934, ВК1-клп, ВК678, ВК876, In Крупняк, ВК195, МВГ-8, ВК416, Л2138, К1587, КГ49 и RIL200. Для оценки качества пыльцы использовали параметр морфологической гетерогенности пыльцевых зёрен, т.е. долю нетипичных зёрен. Пыльцевую продуктивность оценивали по двум параметрам: масса пыльцы и число пыльцевых зёрен. Использовали микроскоп Биолаб TS-2000 LCD МС 20 при увеличении 40×. Максимальной массой (1,17 мг/пыльник) и числом пыльцевых зёрен (45239 шт/пыльник) характеризовалась линия Л2138. Линия ВК876 имела минимальные значения данных признаков - 0,25 мг/пыльник и 16448 шт/пыльник соответственно. Между признаками числа и массы пыльцевых зёрен отмечена высокая положительная корреляция - r = 0,90. В 2022 г. средний показатель диаметра пыльцевых зёрен у 12 изученных линий варьировал от 30 до 32 мкм при среднем значении 31 мкм. В 2023 г. минимальный показатель диаметра пыльцевых зёрен был ниже, чем в 2022 г., и составил 27 мкм, максимальный находился на уровне 2022 г. - 32 мкм при среднем значении 30 мкм. За два года исследований у линии КГ49 отмечена значительная морфологическая гетерогенность пыльцы, что выражалось в высокой доле дефектных пыльцевых зёрен - 58 %. Линия ВК195 характеризовалась низкой морфологической гетерогенностью с долей дефектных пыльцевых зёрен 5 %.
Подсолнечник, масса пыльцы, гетерогенность, диаметр пыльцевого зерна
Короткий адрес: https://sciup.org/142241298
IDR: 142241298 | DOI: 10.25230/2412-608X-2024-1-197-3-9
Текст научной статьи Пыльцевой анализ линий селекционно-генетической коллекции подсолнечника
Введение. Изучение мужской генеративной сферы растений применяется в селекции многих сельскохозяйственных культур [1; 2; 3]. В первую очередь это связано с тем, что количество и качество 3
продуцируемой пыльцы во многом определяет формирование нормального урожая [4].
Мужской гаметофит подсолнечника представлен пыльцевым зерном. Его формирование происходит в результате двух следующих друг за другом процессов: микроспорогенеза и микрогаметогенеза. По данным H.T. Horner [5], микроспорогенез у подсолнечника включает 11 стадий. За 2–3 недели до начала цветения клетки археоспориальной ткани, выстилающей полости гнёзд пыльниковой трубки, претерпевают несколько митотических делений. Сформированные в результате митоза микроспороциты делятся мейотически и образуют тетрады микроспор. Далее тетрады распадаются, и микроспоры переходят на этап микрогаметогенеза. Результатом последнего являются двуклеточные пыльцевые зёрна, состоящие из сифоногенной клетки и генеративного ядра. За 2–3 дня до цветения генеративное ядро делится митотически и даёт начало двум спермиям, за счёт которых пыльцевое зерно становится трёхклеточным [6; 7].
Микроспорогенез, особенно на стадии мейоза, довольно уязвим к воздействию внешних и внутренних факторов [8; 9; 10]. А.А. Бабро и О.Н. Воронова [11] выявили, что у Helianthus ciliaris и H. tuberosus дефектные пыльцевые зёрна наблюдаются начиная со стадии тетрад. В сравнении с нормальными пыльцевыми зёрнами они имеют недифференцируемую структуру, нехарактерные толстые стенки, а также отличаются по размеру.
Известно, что на пыльцевую продуктивность у подсолнечника влияют температура воздуха в период микроспорогенеза и его относительная влажность. С ростом относительной влажности воздуха увеличивается и пыльцевая продуктивность [12]. Кроме того, в условиях теплового стресса возрастает доля нежизнеспособных пыльцевых зёрен [13].
Нормальные пыльцевые зёрна имеют сферическую либо эллиптическую форму с тремя порами и бороздами, поверхность покрыта узко коническими шипами длиной до 10 мкм [14]. Диаметр, по разным данным, может изменяться от 28 [15] до
45 мкм [16]. В среднем вес пыльцы в корзинке изменяется от 0,11 до 0,50 г [17], а число пыльцевых зёрен в цветке варьирует от 28 000 до 40 000 шт. [18].
Настоящее исследование было посвящено изучению продуктивности пыльцы и её морфологической гетерогенности у линий селекционно-генетической коллекции подсолнечника.
Материалы и методы. Исследования проводили на втором отделении ЦЭБ ВНИИМК, х. Октябрьский, г. Краснодар, в 2022–2023 гг. Использовали линии селекционно-генетической коллекции: ВК934, ВК1-клп, ВК678, ВК876, I n Крупняк, ВК195, МВГ-8, ВК416, Л2138, К1587, КГ49 и RIL200. Растения выращивали на четырёхрядных (в 2022 г.) и однорядных (в 2023 г.) делянках при густоте стояния 40 тыс. шт/га.
Для оценки качества пыльцы использовали параметр морфологической гетерогенности пыльцевых зёрен, т.е. долю нетипичных зёрен. Собранную пыльцу в небольшом количестве при помощи шпателя помещали на предметное стекло с каплей ацетоорсеина и тщательно перемешивали, чтобы добиться равномерного распределения в растворе. Препарат окрашивали в течение 5–10 минут, затем накрывали покровным стеклом и рассматривали под микроскопом Биолаб TS-2000 LCD МС 20 при увеличении 40×. Диаметр измеряли в 2022 г. на 200 пыльцевых зёрнах, собранных с трех растений одного генотипа, а в 2023 г. – на 100 пыльцевых зёрнах с каждого из трех растений разных генотипов при помощи встроенной в микроскоп шкалы. Параллельно с замерами отмечали дефектные пыльцевые зёрна. Морфологическую гетерогенность пыльцы рассчитывали, как процент дефектных пыльцевых зёрен в общей массе измеренных пыльцевых зёрен.
Пыльцевую продуктивность оценивали по двум параметрам: масса пыльцы и число пыльцевых зёрен. Предварительно изолированные корзинки трёх растений каждого генотипа на 2–3-й день цветения срезали и доставляли в лабораторию. На следующее утро с каждой корзинки до выхода рылец брали 10 пыльниковых трубок для определения массы и 3–4 пыльниковые трубки – для подсчёта числа пыльцевых зёрен.
Для определения массы пыльцы содержимое 10 пыльниковых трубок взвешивали на небольшом листе бумаги, а полученное число пересчитывали на одну пыльниковую трубку. Для подсчёта числа пыльцевых зёрен каждый пыльник помещали в эппендорф, заполненный одним миллилитром воды, вскрывали и тщательно встряхивали. Из полученного коллоидного раствора пипеткой отбирали пробу известного объёма и под микроскопом подсчитывали в ней число пыльцевых зёрен. Полученное значение пересчитывали на объём всего раствора.
Результаты и обсуждение. В 2023 г. максимальное число пыльцевых зёрен отмечено у линии Л2138: в среднем на пыльник приходится 45239 шт. Минимальное число отмечено у линии ВК876 – 16448 шт/пыльник при среднем значении 29471 шт/пыльник и коэффициенте вариации 29 %. Семь линий из 12 имели больше 30000 пыльцевых зёрен в пыльнике (рис. 1).

Рисунок 1 – Число и масса пыльцевых зёрен в пыльнике, 2023 г.
Наибольшая масса пыльцы выявлена у линии Л2138 (1,17 мг), наименьшая – у ВК876 (0,25 мг) при среднем значении 0,59 мг/пыльник и коэффициенте вариации 32 % (рис. 1). Между признаками числа и массы пыльцевых зёрен отмечена высокая положительная корреляция – 0,90.
В 2022 г. показатель диаметра пыльцевых зёрен у изученных линий варьировал от 30 мкм у КГ49 до 32 мкм у ВК195, К1587, ВК934, ВК1-клп, Л2138 и ВК416
при среднем значении 31 мкм. По данному признаку пять линий (ВК195, К1587, МВГ-8, ВК934 и ВК1-клп) имели невысокие значения коэффициента вариации – до 10 %. Семь линий: RIL200, I 5 Крупняк, Л2138, ВК678, ВК876, КГ49 и ВК416 характеризовались средним коэффициентом вариации (табл. 1).
Таблица 1
Диаметр пыльцевых зёрен у линий подсолнечника
2-е отделение, ЦЭБ ВНИИМК, г. Краснодар, 2022 г.
Генотип |
d, мкм |
CV, % |
||
среднее |
min |
max |
||
ВК195 |
32 |
10 |
35 |
9 |
К1587 |
32 |
10 |
35 |
8 |
МВГ-8 |
31 |
23 |
35 |
8 |
ВК934 |
32 |
25 |
38 |
8 |
RIL200 |
31 |
8 |
38 |
11 |
ВК1-клп |
32 |
10 |
38 |
10 |
I 5 Крупняк |
31 |
10 |
38 |
19 |
Л2138 |
32 |
13 |
38 |
13 |
ВК678 |
31 |
10 |
38 |
12 |
ВК876 |
31 |
10 |
38 |
16 |
КГ49 |
30 |
10 |
38 |
19 |
ВК416 |
32 |
10 |
40 |
13 |
НСР 05 1
Нормальные пыльцевые зёрна имели округлую форму и диаметр около 31 мкм. При этом в пыльце присутствовали зёрна неправильной формы и меньшего диаметра. Нетипичные пыльцевые зёрна можно классифицировать по размерам на два вида: среднеразмерные деформированные (диаметр 20–30 мкм) и микропыльцевые зёрна (диаметр 8–18 мкм) (рис. 2).

Рисунок 2 – Пыльцевые зёрна подсолнечника (1 – микропыльцевое зерно; 2 – среднеразмерное зерно; 3 – нормальное пыльцевое зерно), 2022 г.
Минимальное количество дефектных пыльцевых зёрен отмечено у линии ВК195 – 11 шт. (6 %), из них девять были среднеразмерными и два – микропыльце-выми. Максимальное количество дефектных пыльцевых зёрен имели две линии КГ49 и ВК416 – 89 шт. (45 %). У линии КГ49 из 89 деформированных пыльцевых зёрен 79 среднеразмерных и 10 микро-пыльцевых. Для линии ВК416 было отмечено 88 среднеразмерных и одно микропыльцевое зерно. У линий МВГ-8 и ВК934 микропыльцевые зёрна отсутствовали (табл. 2).
Таблица 2
Типы дефектных пыльцевых зёрен
2-е отделение, ЦЭБ ВНИИМК, г. Краснодар, 2022 г.
Генотип |
Дефектные пыльцевые зёрна |
|||||
всего |
среднеразмерные (диаметр 20–30 мкм) |
микропыльце-вые (диаметр 8–18 мкм) |
||||
штук |
% |
штук |
% |
штук |
% |
|
ВК195 |
11 |
6 |
9 |
82 |
2 |
18 |
К1587 |
15 |
8 |
14 |
97 |
1 |
7 |
МВГ-8 |
16 |
9 |
16 |
100 |
0 |
0 |
ВК934 |
20 |
10 |
20 |
100 |
0 |
0 |
RIL200 |
22 |
11 |
19 |
86 |
3 |
14 |
ВК1-клп |
28 |
14 |
27 |
96 |
1 |
4 |
I 5 Крупняк |
47 |
24 |
36 |
77 |
11 |
23 |
Л2138 |
55 |
26 |
50 |
91 |
5 |
9 |
ВК678 |
56 |
29 |
54 |
96 |
2 |
4 |
ВК876 |
60 |
30 |
54 |
90 |
6 |
10 |
КГ49 |
89 |
45 |
79 |
89 |
10 |
11 |
ВК416 |
89 |
45 |
88 |
99 |
1 |
1 |
НСР 05 4
В 2023 г. минимальное значение диаметра пыльцевых зёрен отмечено для линии RIL200 – 27 мкм, максимальный показатель был у ВК1-клп и Л2138 – 32 мкм при среднем значении 30 мкм. По данному признаку семь линий (ВК195, ВК934, Л2138, МВГ-8, К1587, ВК1-клп и ВК416) имели невысокие значения коэффициента вариации – до 10 %. Пять линий: RIL200, I 6 Крупняк, ВК678, ВК876 и КГ49, характеризовались средним коэффициентом вариации (табл. 3).
Линия ВК195 характеризовалась минимальным количеством дефектных пыльцевых зёрен – 8 шт. (3 %), все они были среднеразмерные. У линии КГ49 отмечено максимальное количество дефектных пыльцевых зёрен – 204 шт.
(68 %), из них 201 шт. (99 %) среднеразмерных и 3 шт. (1 %) микропыльцевых.
Таблица 3
Диаметр пыльцевых зёрен у линий подсолнечника
2-е отделение, ЦЭБ ВНИИМК, г. Краснодар, 2023 г.
Генотип |
d, мкм |
CV, % |
||
среднее |
min |
max |
||
ВК195 |
31 |
27 |
35 |
5 |
ВК934 |
30 |
24 |
33 |
5 |
МВГ-8 |
31 |
23 |
35 |
7 |
Л2138 |
32 |
24 |
37 |
8 |
I 6 Крупняк |
30 |
12 |
35 |
15 |
ВК1-клп |
32 |
25 |
37 |
8 |
К1587 |
30 |
25 |
33 |
7 |
ВК678 |
29 |
18 |
34 |
11 |
ВК876 |
28 |
14 |
33 |
14 |
ВК416 |
30 |
22 |
35 |
10 |
RIL200 |
27 |
17 |
33 |
11 |
КГ49 |
28 |
14 |
35 |
13 |
НСР 05 1
У линий Л2138, К1587 и ВК678 наблюдали дефектные крупные пыльцевые зёрна. Линии ВК934, Л2138, К1587, ВК1-клп не имели микропыльцевых зёрен (табл. 4).
Таблица 4
Типы дефектных пыльцевых зёрен
2-е отделение, ЦЭБ ВНИИМК, г. Краснодар, 2023 г.
Генотип |
Дефектные пыльцевые зёрна |
|||||||
всего |
среднеразмерные (диаметр 20–30 мкм) |
микро-пыльцевые (диаметр 8–18 мкм) |
крупные (диаметр 33–35 мкм) |
|||||
штук |
% |
штук |
% |
штук |
% |
штук |
% |
|
ВК195 |
8 |
3 |
8 |
100 |
0 |
0 |
0 |
0 |
ВК934 |
18 |
6 |
18 |
100 |
0 |
0 |
0 |
0 |
МВГ-8 |
23 |
8 |
22 |
96 |
1 |
4 |
0 |
0 |
Л2138 |
41 |
14 |
39 |
95 |
0 |
0 |
2 |
5 |
К1587 |
58 |
19 |
57 |
98 |
0 |
0 |
1 |
2 |
I 6 Крупняк |
61 |
20 |
47 |
77 |
14 |
23 |
0 |
0 |
ВК678 |
86 |
29 |
82 |
95 |
2 |
3 |
2 |
2 |
ВК876 |
88 |
29 |
71 |
81 |
17 |
19 |
0 |
0 |
ВК1-клп |
89 |
30 |
79 |
89 |
0 |
0 |
0 |
0 |
ВК416 |
102 |
34 |
101 |
99 |
1 |
1 |
0 |
0 |
RIL200 |
172 |
57 |
162 |
94 |
10 |
6 |
0 |
0 |
КГ49 |
204 |
68 |
201 |
99 |
3 |
1 |
0 |
0 |
НСР 05 5
За два года исследований линия ВК195 характеризовалась минимальной гетерогенностью пыльцы – 5 %, а линия КГ49 имела максимальные показатели данного признака – 58 % (рис. 3). Остальные линии показали долю дефектных пыльцевых зёрен в интервале от 9 до 42 %.

Рисунок 3 – Гетерогенность пыльцевых зёрен, 2022–2023 гг.
Для линии ВК195 (растение 3) на графике вариационной кривой отмечен один пик для диаметра 32–33 мкм, при этом гетерогенность пыльцы отсутствовала – 0 %, т. е. все пыльцевые зёрна были морфологически однородны, без деформаций (рис. 4). Кроме того, для данного растения отмечен высокий уровень автофертильности – 57 %.
Напротив, для линии КГ49 (растение 2) наблюдали значительную гетерогенность диаметра пыльцевых зёрен – 89 %, что сопровождается трехпиковым распределением значений признака. В частности, отмечен основной пик среднеразмерных деформированных пыльцевых зёрен (24–25 мкм) и малый пик (28– 29 мкм) также деформированных пыльцевых зёрен. Нормальные пыльцевые зёрна (32–33 мкм) образовали малый пик из 10 шт. (рис. 4). Автофертильность данного растения была очень низкой – 6 %.

10-H12-1314-1516-1718-1920-2122-2324-2526-2728-2930-3152-3334-35
Рисунок 4 – Вариационная кривая диаметра пыльцевых зёрен у подсолнечника (n = 100), 2023 г.
Выводы. В ходе исследований было установлено, что максимальной массой (1,17 мг/пыльник) и числом пыльцевых зёрен (45239 шт/пыльник) характеризовалась линия Л2138. Линия ВК876 имела минимальные значения данных признаков – 0,25 мг/пыльник и 16448 шт/пыльник соответственно. Между признаками числа и массы пыльцевых зёрен отмечена высокая положительная корреляция – r = 0,90. В 2022 г. средний показатель диаметра пыльцевых зёрен у 12 изученных ли ний варьировал от 30 до 32 мкм при среднем значении 31 мкм. В 2023 г. минимальный показатель диаметра пыльцевых зёрен был ниже, чем в 2022 г., – 27 мкм, максимальный находился на уровне 2022 г. – 32 мкм при среднем значении 30 мкм. За два года исследований у линии КГ49 отмечена значительная морфологическая гетерогенность пыльцы, что выражалось в высокой доле дефектных пыльцевых зёрен – 58 %. Линия ВК195 характеризовалась низкой морфологиче- ской гетерогенностью с долей дефектных пыльцевых зёрен 5 %.
Список литературы Пыльцевой анализ линий селекционно-генетической коллекции подсолнечника
- Киселёва Н.С. Оценка качества пыльцы генотипов груши для использования в селекции // Новые технологии. – 2019. – № 4 (50). – С. 153–165.
- Корзин В.В., Горина В.М., Месяц Н.В. Качество пыльцы сортов и форм абрикоса и перспективность ее использования в селекционном процессе // Вестник КрасГАУ. – 2019. – № 8. – С. 10–16.
- Цаценко Л.В., Назаров А.Л., Леденева А.Л. Пыльцевой анализ в селекции пшеницы // Научный журнал КубГАУ. – 2021. – № 165 (01). – С. 1–11.
- Chamer A.M., Medan D., Mantese A.I., Bartoloni N.J. Impact of pollination on sunflow-er yield: Is pollen amount or pollen quality what matters? // Field Crops Research. – 2015. – Vol. 176. – P. 61–70.
- Horner H.T. A comparative light and elec-tron microscopic study of microsporogenesis in male-fertile and cytoplasmic male-sterile Sunflower (Helianthus annuus) // Amer. J. Bot. – 1977. – No 64 (6). – P. 745–759.
- Устинова Е.И. Цитоэмбриологическое исследование подсолнечника и кукурузы: ав-тореферат дис. ... д-ра биол. наук / Елена Ивановна Устинова. – М., 1967. – 40 с.
- Gotelli M.M., Galati B.G., Medan D. Em-bryology of Helianthus annuus (Asteraceae) // Ann. Bot. Fennici. – 2008. – No 45. – P. 81–96.
- Бессонова В.П. Состояние пыльцы как показатель загрязнения среды тяжелыми ме-таллами // Экология. – 1994. – № 4. – С. 45–50.
- Rezanejad F., Maid A., Shariatzade S.M. Effect of air pollution on water proteins, struc-ture and cellular material release in Lagerstroe-mia indica L. (Lytraceae) // XVII Intern. Congr. «Sexual Plant Reproduction in Nature and the Laboratory»: Progr., Abstr. – Lublin, 2002. – P. 128.
- Lalonde, S., Beebe D.U., Saini H.S. Early signs of disruption of wheat anther development associated with the induction of male sterility by meiotic-stage water deficit // Sexual Plant Re-production. – 1997. – No 10. – Р. 40–48.
- Бабро А.А., Воронова О.Н. Развитие мужских репродуктивных структур у Helianthus ciliaris и H. tuberosus (Asteraceae) // Ботанический журнал. – 2018. – № 103 (9). – С. 1093–1108.
- Astiz V., Hernández L.F. Pollen produc-tion in sunflower (Helianthus annuus L.) is af-fected by air temperature and relative humidity during early reproductive growth // Fyton. – 2013. – No 82. – Р. 297–302.
- Kalyar T., Rauf S., Teixeira da Silva J.A., Shahzad M. Handling sunflower (Helianthus annuus L.) populations under heat stress // Ar-chives of Agronomy and Soil Science. – 2014. – Vol. 60. – P. 655–672.
- Мейер-Меликян Н.Р., Бовина И.Ю., Косенко Я.В. [и др.]. Атлас пыльцевых зёрен Астровых (Asteraceae) – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2004. – 236 с.
- Воронова О.Н., Гаврилова В.А. Количественный и качественный анализ пыльцы подсолнечника (Helianthus L.) и его использование в селекционной работе // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. – 2019. – Вып. 180 (1). – С. 95–104.
- Bonciu E. Aspects of the pollen grains di-ameter variability and the pollen viability to some sunflower genotypes // Journal of Horticul-ture, Forestry and Biotechnology. – 2013. – Vol. 17 (1). – P. 161–165.
- Andrei E., Jitareanu C.D. Selection of sunflower restorer inbred lines according to the pollen amount // Proc. of 15th Intern. Sunflower Conf., Toulouse, France, 2000. – V. 2. – P. 150–155.
- Vear F., Pham-Delegue M., Tourvieille de Labrouhe D. [et al.]. Genetical studies of nec-tar and pollen production in sunflower // Agron-omie. – 1990. – No 10. – Р. 219–231.