Влияние температуры и влажности воздуха на жизнеспособность пыльцы рапса озимого

Введение . Рапс ( Brassica napus L.) – вторая по значимости масличная культура в мире, используется в основном для питания человека и как биодизельное топливо, также она ценится за высокие кормовые достоинства зеленой массы и получаемых после извлечения из семян масла высокобелковых жмыхов и шротов [2; 4]. Данная культура является факультативным самоопылителем. Степень самоопыления, по материалам большинства исследователей, может достигать 60– 90 %, а уровень перекрестного опыления от 10 до 100 %. Перекрестное опыление у рапса осуществляется в основном энто-мофильно, его охотно посещают пчелы, осы, шмели. Также пыльца может переноситься и анемофильно [6].

Цветение рапса озимого начинается утром (с 8 ч) и продолжается до 18–20 ч в зависимости от метеоусловий. При влажной прохладной погоде цветок может распускаться, но пыльники не вскрываются, что увеличивает длительность цветения. Наибольшая способность прорастания пыльцевых зерен на рыльцах пестика отмечается в первые три дня, а через 6 суток завязываемость семян уже уменьшается в 6,5 раз [12].

По данным Г.М. Осиповой, зрелая пыльца рапса – двухъядерная, состоит из вегетативного и генеративного ядер. При прорастании пыльцевого зерна происходит деление генеративного ядра и образование двух спермиев. Пыльцевая трубка достигает зародышевого мешка за 20– 30 мин, слияние гамет продолжается 2– 3 ч [6].

Пыльцевые зерна ярового рапса, возделываемого в Сибирском регионе, – желтые, удлиненно-эллиптические, размером 16,2–18,9 × 35,1–36,8 мкм [6]. Изучение морфологических характеристик пыльцы желтосемянного и сизосемянного ярового рапса в условиях Краснодарского 52

края показало, что зрелые пыльцевые зерна имеют желтую окраску, овальноэллиптическую или удлиненно-эллиптическую форму, пористую, сетчатообразную поверхность, а их размеры составляли 27,6–29,8 × 38,2–41,5 мкм [11]. Внешний вид пыльцевого зерна под электронным микроскопом при разном увеличении представлен на рисунке 1 [15; 16].

а

б

Рисунок 1 – Внешний вид пыльцевого зерна под электронным микроскопом: а – при 400-кратном увеличении [15]; б – при 200-кратном увеличении [16]

Зрелые пыльцевые зерна – трехпоровые, трёхклеточные. Содержат в своем составе крахмал, жир, флавоноиды и обладают поверхностным покрытием, состоящим из каротиноидов, растворенных в жирах. Спермии имеют телофатические ядра веретеновидной формы [6].

Известно, что общее количество пыльцевых зерен, образуемых одним цветком рапса, составляет 30–36 тыс. шт., а завязь цветка в среднем содержит 30 семяпочек [4]. Предположительно на каждую семяпочку рапса приходится около одной тысячи пыльцевых зерен. По мнению С.Ю. Кравцова, потенциальная продуктивность завязи зависит от погодных условий и различна по годам.

Важнейшим фактором, обеспечивающим нормальное оплодотворение и качество завязавшихся семян, является жизнеспособность пыльцы [10]. Она снижается у растений, пострадавших от засухи, обезвоживания, теплового стресса, заморозков и УФ-излучения [14]. Морфологические изменения пыльцевых зёрен зависят и от воздействия таких факторов, как пожары, радиация, повышенная концентрация тяжёлых металлов и пестицидов, прежде всего гербицидов [3]. Осипова Г.М. утверждает, что жизнеспособность пыльцы рапса высокая. В стерильных условиях и при пониженной температуре ее можно хранить в течение года. При комнатной температуре пыльца может храниться 2–3 недели, но спустя 3– 4 дня степень завязываемости семян снижается [6].

Температура и влажность являются одними из лимитирующих факторов, действующих на разных этапах развития растений и обуславливающих снижение урожайности любых сельскохозяйственных культур, в том числе и рапса. В период бутонизации, цветения, плодооб-разования, воздействие как высоких, так и низких температур, снижает фертильность пыльцы, завязываемость стручков, что приводит к существенному уменьшению урожайности [8].

В практической работе при гибридизации селекционеру, в первую очередь, приходится работать с цветком рапса, изучая закономерности взаимоотношения пыльцевых зерен и секреторной деятельности пестиков [5; 13]. Показатели жизнеспособности пыльцы имеют решающее значение для прогнозирования качества семенной продукции при проведении работ по гибридизации самонесовместимых растений и созданию гибридов на основе цитоплазматической мужской стерильности. Также важным является знание о жизнеспособности пыльцевых зерен при проведении кастрации и нанесении пыльцы на рыльца пестиков в разные дни, когда опыление растений, в силу разных обстоятельств, происходит не свежесобранной пыльцой, а спустя время.

Целью исследований являлось изучение жизнеспособности пыльцы, влияние температурного режима и влажности воздуха на прорастание пыльцевых зёрен у современных сортов и гибридов рапса озимого селекции ВНИИМК.

Материалы и методы. Исследования проводили в 2020 г. на опытном поле ВНИИМК, расположенном в центральной зоне Краснодарского края. В качестве материала использовали сорта и гибриды озимого рапса селекции ВНИИМК: Лорис, Сармат, F1 40059 × Jesper 16–132, F1 40008 × INRA.

Пыльцу собирали с только что раскрывшихся цветков, расположенных на центральной кисти. Жизнеспособность пыльцы определяли по методу Б.А. Тран-ковского путем подсчета количества проросших пыльцевых зерен на искусственной питательной среде [7]. На предметное стекло наносили пипеткой несколько капель питательной среды. После чего свежесобранную пыльцу при помощи пинцета равномерно распределяли по питательной среде путём осторожного стряхивания.

Предметное стекло с пыльцой помещали во влажную камеру чашки Петри, которая обеспечивает неизменность концентрации сахарного раствора. Чашки Петри помещали в термостат на сутки при температуре 24 С для проращивания. Подсчет жизнеспособных и нежизнеспособных пыльцевых зерен проводили в 2-кратной повторности с использованием цифрового микроскопа, при 20-кратном увеличении в 10 полях зрения с последующей фотофиксацией.

Результаты и обсуждение. Для изучения жизнеспособности пыльцы различных сельскохозяйственных культур широкое применение получил метод влажной камеры, основанный на способности пыльцы растений прорастать в водном растворе сахарозы или глюкозы. Для посева пыльцы плодовых растений берут концентрации раствора сахарозы – 5, 10 и 15 %, для горчицы была подобрана

15%-ная концентрация [7; 9]. Определение оптимальной плотности раствора сахарозы для рапса озимого проводилось путём проращивания пыльцы сортов и гибридов на питательной среде с концентрацией 1, 10, 15, 20 и 25 %. Наилучшие данные были получены в варианте с 20%-ным раствором (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость прорастания пыльцевых зёрен рапса озимого от разных концентраций сахарозы, %

ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК, 2020 г.

Сорт, гибрид	Концентрация сахарозы, %
	1	10	15	20	25
Лорис	0	13	81	91	88
Сармат	0	15	85	80	78
F1 40059 × Jesper 16–132	0	4	72	73	68
F1 40008 × INRA	0	35	55	65	60

Пыльцевые зерна начинали прорастать через 4–5 ч после посева. Проросшими считали пыльцевые зерна, пыльцевые трубки которых по размерам превышали длину пыльцевого зерна. Для сортов это 30 мкм, для гибридов – 40 мкм (рис. 2). Жизнеспособность пыльцы определяли путем вычисления процента проросших пыльцевых зерен по отношению к их общему количеству.

На жизнеспособность и качество пыльцы растений, как уже говорилось выше, оказывают влияние разные факторы. Результаты исследований на озимом рапсе показывают, что погодные условия непосредственно воздействуют на формирование и функционирование генеративных органов растений. Низкая влажность и аномально низкие температуры воздуха в фазе начала цветения рапса в 2020 г. повлияли на количество проросших пыльцевых зёрен.

а

б

Рисунок 2 – Размер пыльцевых зерен рапса озимого под микроскопом (ориг.): а – пыльцевые зерна сорта Лорис;

б – пыльца гибрида F1 40059 × Jesper 16–132

В ранние утренние часы (6:00) наблюдались пониженные температуры воздуха от -0,5 до -1,9 оС. Влажность воздуха в это время в разные дни варьировала от 39 до 86 % (табл. 2). Отбор пыльцы проводили в 12:00 и уже через два часа закладывали во влажную камеру для проращивания.

Таблица 2

Характеристика погодных условий, складывающихся в начальный период цветения рапса озимого (утро, 6:00)

ФГБНУ ФНЦ ВНИИМК, 2020 г.

Параметры	Дата
	08.04	09.04	13.04	14.04
Температура воздуха, оС	-1,2	-0,5	-1,9	-0,6
Влажность воздуха, %	39	60	86	77

Низкие температуры ночью и утром 8 апреля (-1,2 °С) в сочетании с низкой влажность воздуха (39 %) отрицательно сказались на жизнеспособности пыльцы, которую определяли через сутки. У сорта Сармат проросло 5 % от общего числа пыльцевых зёрен, у сорта Лорис – 30 %, а пыльца гибридов оказалась не жизнеспособной (рис. 3).

Рисунок 3 – Степень прорастания пыльцевых зерен сортов и гибридов рапса озимого, %

Аналогичные показатели были получены у пыльцы, собранной на следующий день (9 апреля: температура воздуха -0,5 оС, влажность воздуха 60 %). Ее жизнеспособность у сортов Сармат и Лорис составила 18 и 15 % соответственно. Пыльцевые зёрна гибридов также практически не прорастали.

Повышение влажности воздуха до 86 %, даже при минусовой температуре в утренние часы (-1,9 оС), увеличило жизнеспособность пыльцы у сорта Сармат до 88 %, у сорта Лорис – до 80 %. Количество проросших пыльцевых зёрен у гибрида F1 (40059 × Jesper 16-132) составило 85 %, у гибрида F1 (40008 × INRA) – 61 %.

Небольшое снижение жизнеспособности пыльцы наблюдалось при отборе 14 апреля. В этот день были отмечены заморозки: на поверхности почвы температура составила -2,0 °С, минимальная температура воздуха -0,6 °С в сочетании с влажностью 77 %. В сложившихся условиях наилучшие данные получены у гиб- рида F1 40008 × INRA – 87 % и сорта Лорис – 63 %.

Исходя из полученных нами экспериментальных данных, можем предположить, что сложившиеся в 2020 г. погодные условия оказали отрицательное влияние на прорастание пыльцевых зёрен. Сорта Лорис и Сармат оказались менее чувствительны к стрессовым условиям. За период исследований жизнеспособность пыльцевых зёрен сортов составила в среднем 47 и 37 % соответственно. Пыльцевые зерна гибридов F1 40059 × Jesper 16-132 и F1 40008 × INRA обладали меньшей жизнеспособностью – 38 и 21 % соответственно. На основании полученных данных можно предположить, что изучаемые гибриды характеризуются невысокой резистентностью тканей репродуктивных органов к заморозкам и низкой влажности. Также наблюдения показали, что у сортов пыльцевые зёрна через сутки после прорастания сохранили свою форму, стенки не разрушены, пыльцевые трубки имели нормальное строение (рис. 4 а ).

Прорастающая пыльца гибридов сохраняла свое нормальное состояние только в течение 4–5 ч после посева во влажную камеру. Через сутки отмечалось начало разрушения оболочки пыльцевых зерен, а также аномалии роста пыльцевых трубок в виде их скручивания, образования перетяжек и утолщений на концах булавовидной формы (рис. 4 б ).

а                  б

Рисунок 4 – Проросшие пыльцевые зерна рапса озимого через сутки после закладки во влажную камеру (ориг.): а – сорт Лорис;

б – гибрид F1 40008 × INRA

Для рапса озимого складывающиеся неблагоприятные условия в период бутонизации, цветения, плодообразования снижают жизнеспособность пыльцы и, как следствие, завязываемость стручков, что приводит к существенному снижению урожайности (рис. 5). Пониженная жизнеспособность пыльцы на начальных этапах цветения рапса озимого в апреле 2020 г. негативно сказалась на завязываемости стручков в нижней части центральной кисти. Если нормальный размер стручка рапса озимого находится в пределах 6,0– 8,0 см, длина нижних стручков сорта Сармат составила всего 2,0–4,0 см, соответственно и семян в них сформировалось в 2 раза меньше.

Рисунок 5 – Центральная кисть растения сорта Сармат в фазе «зелёного стручка» (11.06.2020 г.)

Вероятнее всего, низкие температуры воздуха в совокупности с низкой влажностью воздуха во время цветения рапса озимого в условиях 2020 г., повлиявшие на жизнеспособность пыльцы, повлекут за собой снижение количества семян на 10–15 %.

Выводы. Основываясь на полученных данных, мы можем сделать вывод, что гидротермические условия, сложившиеся в фазе начала цветения в 2020 г., оказали негативное действие на прорастание пыльцевых зёрен, завязываемость стручков и количество семян в стручках.

Пыльца изучаемых гибридов рапса озимого более чувствительна к стрессовым условиям и показала меньшую ус-56

тойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды. Ткани репродуктивных органов исследуемых сортов рапса озимого более резистентны к низким температурам и влажности.