Методические указания по проведению гибридизации у гуара

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ГИБРИДИЗАЦИИ У ГУАРА — ЦИАМОПСИСА ЧЕТЫРЁХКРЫЛЬНИКОВОГО CYAMOPSIS TETRAGONОLOBA (L.) TAUB.

Методика проведения скрещиваний и гибридизации у гуара Cyamopsis tetragonoloba ( L.)Taub.

Циамопсис четырёхкрыльниковый, Cyamopsis tetragonoloba (L.)Taub., индийское название гуар, английское название clusterbeans – однолетнее растение семeйства бобовых Fabaceae L.

Большинство однолетних бобовых растений являются факультативными, а многие – облигатными самоопылителями. Гуар полностью самофертильное растение с высокой степенью самоопыления (Stafford, Hymowitz, 1980). Это обусловлено присущей этому растению клейстогамией (Pathak, 2015). Степень естественного перекрёстного опыления, выявленного у гуара, составляет от 0,3 до 7,9 % (Chaudhary et al, 1984; Ahlawat et al, 2012).

Строение и развитие цветка гуара.

Соцветие гуара – кисть длиной 9-13 см у растений с разветвлённым типом роста и 15-20 см у моностебельных или разреженно-ветвистых. В норме на соцветии содержится 40-60 цветков у растений ветвистых типов и 50-70 у растений моностебельных и разреженно-ветвистых (Menon, 1973). Примерно 12, 5 % цветков на соцветии развиваются в бобы, остальные опадают после цветения. Таким образом, потенциальная семенная продуктивность гуара намного выше реальной, как и у многих других культурных видов семейства бобовых.

Прицветники шиловидные, жёсткие, расположены вертикально на оси соцветия. Цветки обоеполые, 9-13 мм длиной, почти сидячие. Чашечка состоит из пяти чашелистиков с неравными линейными зубчиками, венчик – из пяти лепестков. Флаг округлый, лепестки-крылья (вёсла) продолговатые, лепестки киля продолговатые, такой же длины, как и лепестки крыльев. Киль слегка искривлён. Пестик содержит один плодолистик. Завязь линейная, сидячая, одноклеточная, содержит 6-10 семяпочек. Столбик короткий, искривлённый, с рыльцем головчатой формы (Chandrasekharam, 1928; Menon et al, 1968; Ahlawat et al, 2012). В киле находится 10 тычинок.  Пыльники однородные, пыльцевые зёрна сферические по форме, в диаметре от 40 до 43 m. (Menon et al, 1968, Menon 1973).

Исследования, проведённые в Индии, показывают, что с момента инициации цветочного бугорка до развития его в цветок, готовый к опылению, требуется 35 дней (Menon 1973). Венчик цветка претерпевает переход окраски от бело-кремового в стадии бутонизации до сиреневого-голубого в момент опадения лепестков. Лепестки приобретают розовую окраску перед открытием цветка. Есть индийские сорта гуара с чисто белой окраской венчика, и, напротив, с более интенсивно окрашенным розовым венчиком.  Растрескивание пыльников происходит через 1,5 -2 часа до открытия цветка, пыльца способна к прорастанию за 2 часа до открытия цветка и в течение 11 часов после открытия. О продолжительности времени, в течение которого рыльце остаётся способным к восприятию пыльцы, не сообщается.

Динамика цветения происходит следующим образом. Окраска лепестков в бутоне меняется от кремового до светло-розового между 08.00 и 10.00 часами утра (Menon, 1973). Венчики продолжают раскрываться до 16 часов. Розовая окраска лепестков меняется в сторону сиренево-голубоватой после 16.00 часов. Цветки, которые распустились утром, в тот же день после цветения теряют лепестки, между 17.00 и 2.00 часами. Лепестки цветков, распустившихся позднее, опадают следующим утром (Menon, 1973).

Продолжительность жизни пыльцы при комнатной температуре составляет от 11до 13 часов.  Пик максимального прорастания пыльцы (46%) происходит  между 8.00 и 9.00 часами. Каждая пыльцевая клетка в норме производит одну пыльцевую трубку, хотя иногда наблюдались две пыльцевых трубки из одного пыльцевого зерна (Menon et al, 1968). Длина пыльцевой трубки в среднем составляет 1, 6 мм. Жизнеспособность пыльцы, сохраняемой в условиях холодильника, не изучена.

Методика искусственной гибридизация у гуара.

Методика проведения искусственной гибридизации гуара довольно трудоёмка вследствие высокой степени самоопыления, строения цветка и его мелкого размера.  Тенденция к опадению большей части цветков на соцветии, природа которой не изучена, также вносит свой вклад в минимизацию получения бобов от искусственного перекрёстного опыления.

Необходимое оборудование.

Для проведения искусственной гибридизации растений необходим тонкий пинцет, короткие бумажные пакетики для изоляции, этикетки, ручной степлер. В виду малой величины цветка для контроля точности манипуляций удобно пользоваться лупой с креплением на голове.

Кастрация цветка

Для подготовки цветка материнского растения к искусственному опылению необходимо удалить пыльники (кастрировать цветок). Для кастрации отбираются зрелые бутоны. Кастрация пыльников производится именно в бутонах, а не в распустившихся цветках, поскольку цветок гуара моментально полностью раскрывается при малейшем прикосновении к нему, и происходит растрескивание уже созревших пыльников и самоопыление.  Наилучшее время для проведения манипуляций с бутонами – поздний полдень между 16 и 18 часами (Chaudhary et al, 1974). Отбираются бутоны, рыльца которых будут восприимчивы к пыльце в течение по крайней мере двух дней. Самоопылённые цветки, расположенные ниже кастрируемых на цветоносе, следует удалить. Таким образом, нижние цветки в соцветии и будут искуственно опылёнными. Чтобы избежать повреждения кисти, верхние бутоны желательно не травмировать в течение трёх дней после проведения скрещивания. Тем не менее их также следует удалить, если цветки раскрываются в этот период. Обычно на соцветии получается кастрировать не более двух цветков.

При проведении кастрации бутон лучше придерживать пальцами во избежание повреждения столбика или рыльца. Верхний лепесток удаляется пинцетом мягким тянущим движением вверх. Остальные лепестки удаляются подобным образом. При этом одновременно с лепестками удаляется часть пыльников. Оставшиеся пыльники следует удалить и визуально удостовериться, что они не растрескались. Всё соцветие целиком, включая кастрированные бутоны, необходимо поместить в бумажный изолятор и скрепить его степлером в основании.

Опыление.

Кастрированные цветки следует опылять утром на следующий день, желательно между 08.00 и 09.00. (Chaudhary et al., 1974). Для получения лучшей завязываемости бутоны желательно опылять дважды, то есть на следующий день после опыления процедуру повторить.

В качестве источника пыльцы отбирают свежие, только что открывшиеся цветки. Опыление осуществляют, мягко проводя пыльниками по рыльцу кастрированного цветка материнского растения. Зрелые пыльники при контакте должны вскрыться.

После опыления кисть маркируется этикеткой и вновь изолируется. Маркировать соцветия с опылёнными цветками удобно небольшими этикетками из пергаментной бумаги (Иванов и др., 1982). После формирования боба изолятор следует удалить. Обычно боб формируется через 3-5 дней. Бобы, завязавшиеся на соцветиях, где было произведено перекрёстное опыление, содержат два-три семени. Внешне  бобы с гибридными семенами выделяются своими небольшим размерами по сравнению с бобами, полученными от естественного самоопыления. Их форма и размер позволяют провести простую идентификацию.

Достичь успешного опыления, увенчавшегося завязыванием бобов и развитием всхожих семян, достаточно сложно из-за большой вероятности повреждения   столбика и рыльца материнского цветка при кастрации, а также возможных барьеров скрещиваемости. Так, Chaudhary et al. (1974) сообщают всего о 6-8 % завязавшихся бобов от проведённых скрещиваний.

Размещение растений в питомнике гибридизации.

Растения в питомнике гибридизации могут быть размещены любым удобным для исследователя образом, обеспечивающим свободный доступ к соцветиям и проведению процедур кастрации и гибридизации.

В фитотроне удобно проводить скрещивания при индивидуальном размещении растений в горшках.

Поиск растений гибридной природы при естественной гибридизации.

Учитывая трудоёмкость и невысокую эффективность  (8 % и менее успешно проведённых скрещиваний) при искусственной гибридизации у гуара, практикуют естественную гибридизацию. Образцы,  линии, которые желательно переопылить, размещают на изолированных участках в поле (на удалении до 3 км от других посевов гуара). Оптимальным вариантом будет размещение растений в изодомиках при наличии опылителей.

Видовой состав насекомых, которые посещают цветки гуара в условиях Российской Федерации, не изучен. Наиболее вероятно посещение цветков медоносными пчёлами. Цветок гуара устроен таким образом, что его раскрытие происходит вне зависимости от посещения насекомого. Стадия РЦ  — распустившегося цветка, столь характерная для большинства растений семейства бобовых, у гуара очень скоротечна. Следует различать стадию РЦ и стадию полностью раскрытого цветка, в котором произошёл выход тычиночно-пестичной колонки из киля и разворачивание лепестков лодочки (киля) вниз. Сообщается о проявлении клейстогамии в цветках гуара (опыление в распустившемся, но ещё не раскрытом цветке). Таким образом, избежать самоопыления цветков гуара без кастрации пыльников с сопутствующим удалением лепестков практически невозможно. Следовательно, кастрированные цветки, в которых самоопыление было бы сведено к минимуму,  были бы непривлекательны для насекомых.  Насекомые посещают  распустившиеся цветки гуара, в которых уже произошло самоопыление и растрескивание пыльников,  перенося пыльцу. Степень естественной гибридизации гуара при свободном переоопылении насекомыми может достигать 9 % (Stafford, 1975).

Для отслеживания растений гибридной природы в США используют маркерный признак опушённый/гладкий, который проявляется на листьях и стеблях. Опушённые растения у гуара легко идентифицируются визуально и тактильно. Признак отсутствия опушённости контролируется одним рецессивным геном (Stafford, Hymowitz, 1980). При закладке питомника гибридизации растения с опушёнными листьями и с гладкими листьями размещают рядками 5 м длиной, на расстоянии 1 м друг от друга. Каждый третий ряд растений высаживают с опушёнными листьями, оставшиеся ряды – растения с рецессивным признаком «гладкие листья». При этом растения с опушёнными листьями расцениваются как отцовские, а с гладкими листьями – как материнские. Бобы с растений в питомнике гибридизации собираются индивидуально по растениям в отдельные пакеты.

Каких-либо маркеров, позволяющих идентифицировать гибридные семена, не имеется. Выявить растения гибридной природы можно только в потомстве.

Также для идентификации гибридных растений возможно использовать признак окраски листа. Известно, что тёмно-зелёная окраска листа доминирует над светло-зелёной и контролируется единичным геном (Rao et al, 1973).

При скрещивании растений раннеспелых форм с позднеспелыми формами следует корректировать время посадки растений для одновременного цветения.

Признак генной мужской стерильности, открытый у гуара, пока не нашёл своего практического применения в программах гибридизации (Mital et al., 1968, Stafford 1989).

Программы гибридизации.

В настоящее время гибридизация у гуара является действенным механизмом селекции. При подборе пар для гибридизации для максимального проявления гетерозиса учитывают генетическое расстояние между образцами. Особенно часто селекционеры в Индии разрабатывают программу  гибридизации при создании сортов овощного направления (Manivannan el al., 2015).

При создании сортов гуара для использования на территории Российской Федерации гибридизация является инструментом, позволяющим скомбинировать в потомстве ценные признаки выделенных с помощью молекулярных и биохимических методов генотипов. Так, гибридизация устойчивых к факторам среды генотипов с генотипами продуктивными может оказаться ключевым инструментом для создания коммерческого сорта гуара с высоким содержанием камеди.

Литература.

  1. StaffordE., Hymowitz T. Guar. In: Hybridization of Crop Plants. American Society of Agronomy-Crop Science Society of America, Madison, 1980:381-392
  2. Pathak R. Clusterbean: Physiology, Genetics and Cultivation. Springer Science+Business Media Singapore 2015, 151, doi 10.1007/978-287-907-3
  3. Chaudhary B.S., Paroda R.S., Solanki K.R. A new crossing technic in clusterbeans Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub. Current Science, 1974, 43:456-459
  4. Ahwalrt A., Dhingra Н.R., Pahuja S.K. Biochemical composition of stigma and style in Cyamopsis Forage Research 2012, 38(1):53-55
  5. Menon , Rathore N.S., Bhargava P.D. Pollen studies in guar Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub. J.Polynology 1973, 4:51-53
  6. Chandrasekharan S. N., Ramakrishman T. S. Botany of some useful plants. 1928, Madras Agric. Journal. 16:5-11
  7. Menon U. A comprehensive study review on crop improvement and utilization of clusterbean (Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub. Department of agriculture, Rajasthan, Jaipur. Monograph Series, 1968, 2:1-51
  8. Иванов А.И., Дзюбенко Н.И.  Бухтеева А.В Проведение самоопыления, гибридизации, учета самофертильности и автотриппинга у люцерны. Методические указания, изд-во ВИР, 1982, 16 с.
  9. Stafford R.E., Lewis C.R. Natural crossing in guar, Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub. Crop Sci. 1975, 15:254-258
  10. Rao Р.К.Е., Patel G.J. Inheritance of foliage colour in clusterbeans. Andhra Agric. J. 1973, 20 (1/2):43-44
  11. Mital S.P., Dabas B.S., Thomas T.A. Male sterility in guar Cyamopsis tetragonoloba (L).Taub). Current Science 1968, 37: 357
  12. Stafford R.E. Inheritance of partial male sterility in guar. Plant Breed 1989, 103:43-46
  13. Manivannan, Anandakumar C., Ushakumari R., Dahiya G. Genetic diversity of guar genotypes (Cyamopsis teragonoloba (L.) Taub.) based on their agro-morphological traits. Bangladesh J. Bot. 2015, 44(1):59-65