Влияние температуры и влажности воздуха на жизнеспособность пыльцы рапса озимого
Автор: Старикова Д.В., Сырова Ю.Д., Горлова Л.А.
Рубрика: Селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений
Статья в выпуске: 3 (183), 2020 года.
Бесплатный доступ
Условия окружающей среды оказывают прямое влияние на формирование и функционирование генеративных органов растений. Параметры, характеризующие жизнеспособность пыльцевых зерен, тесно связаны с погодными условиями, а именно с температурой и влажностью воздуха. Очень часто фаза начала цветения у рапса озимого (конец марта - начало апреля) попадает в неблагоприятные условия. В статье представлены результаты изучения влияния основных погодных факторов (заморозки, низкая влажность) на прорастание пыльцевых зерен сортов Лорис, Сармат и гибридов 40059 х Jesper 16-132 и 40008 * INRA озимого рапса селекции ФНЦ ВНИИМК в апреле 2020 г. Жизнеспособность пыльцы определяли методом Б. А. Транковского путем подсчета количества проросших пыльцевых зерен на искусственной питательной среде, вычисляя процент проросших пыльцевых зерен по отношению к общему их числу. Определена оптимальная концентрация раствора сахарозы (20 %) питательной среды для проращивания пыльцы сортов и гибри дов рапса озимого. Исследования показали, что пониженные температуры воздуха от -0,5 до -1,9 оС в сочетание с влажностью воздуха от 39 до 86 % во время начала цветения культуры оказывают негативное действие на прорастание пыльцевых зерен. Жизнеспособность пыльцы сортов Лорис и Сармат составила в среднем 47 и 37 % соответственно. Пыльцевые зерна гибридов (F1 40059 х Jesper 16-132 и F1 40008 х INRA) обладали меньшей жизнеспособностью - 38 и 21 % соответственно, что говорит о более высокой чувствительности тканей репродуктивных органов к низким температурам и низкой влажности.
Рапс озимый, пыльца, жизнеспособность, температура, влажность, сорт, гибрид
Короткий адрес: https://sciup.org/142224969
IDR: 142224969 | DOI: 10.25230/2412-608X-2020-3-183-51-57
Текст научной статьи 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.
Список литературы Влияние температуры и влажности воздуха на жизнеспособность пыльцы рапса озимого
- Беккер Х. Селекция растений. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2015. -425 с.
- Гончаров С.В., Карпачев В.В. Глобализация семенных рынков масличных культур на примере рапса // Масличные культуры. - 2019. - Вып. 4 (180). - С. 102-106.
- Звягина А.С. Показатели фертильности мужского гаметофита как критерий в биотестировании влияния гербицидов на репродуктивную систему озимой мягкой пшеницы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2014. - № 98. - С. 658-664.
- Кравцов С.Ю. Биологические основы первичного семеноводства безэруковых сортов рапса и сурепицы: дис.. канд. с.-х. наук / Сергей Юрьевич Кравцов. - М., 1988. - 160 с.
- Лях В.А., Сорока А.И. Пыльцевой отбор как способ интенсификации селекции масличных культур // Науково-технiчний бюллетень IНституту олiйних культур НААН. -2014. - № 20.- С. 72-80.
- Осипова Г.М. Рапс в Сибири (морфобиологические, генетические и селекционные аспекты). - Новосибирск, 1998.- С. 41-47.
- Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1988. - С. 208-210.
- Санько Н.В., Жолик Г.А. Цветение и плодообразование озимого рапса // Биология и совершенствование агротехники сельскохозяйственных культур. - Минск, 2008. - Вып.4.- С. 178-182.
- Трубина В.С., Горлов С.Л., Сердюк О.А. Приёмы повышения завязываемости семян при внутривидовой гибридизации горчицы сарептской (Brassica juncea L.) // Мат-лы 7-й междун. конф. молод. уч. и спец. "Актуальные вопросы биологии, селекции, технологии возделывания и переработки масличных культур", посвященной 100-летию со дня основания ВНИИМК. - Краснодар, 2013. - С. 233-237.
- Френкель Р., Гадун Э. Механизмы опыления, размножения и селекции растений. -М.: Колос, 1982. - 384 с.
- Халилова Л.А. Исходный материал для селекции желтосемянного ярового рапса: дис.. канд. биол. наук / Людмила Анатольевна Халилова. - Краснодар, 2002. - 137 с.
- Шпота В.И., Кравцов С.Ю. Некоторые особенности биологии цветения рапса и сурепицы // Научно-технический бюллетень ВНИИМК. - Краснодар, 1985. - Вып. I (88). - С. 8-9.
- Шумилина Д.В., Батманова А.И. Повышение эффективности опыления капусты белокачанной в случае низкой жизнеспособности пыльцы // Научно-практический журнал "Овощи России". - 2014. - № 4 (25). - С. 10-13.
- Bots M., Mariani C. Pollen viability in the field // Universitet Nijmegen. - 2005. - P. 2-52.
- Википедия. Brassica napus Pollen: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Br assica_napus_Pollen_400x.jpg?uselang=ru#filelinks (Дата обращения: 03.06.20, свободный).
- Pinterest. Microscope images of plant seeds and pollens: Rapeseed (Brassica napus) pollen grain: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.pinterest.ru/pin/350999364691274445/ (Дата обращения: 04.06.20, свободный).