Barbara Dyki, Renata Nowak, Anna Stępowska
Instytut Warzywnictwa im. Emila Chroboczka w Skierniewicach
Wstęp
Rośliny z cechą cytoplazmatycznej męskiej sterylności (CMS) są wykorzys-tywane od wielu lat jako formy mateczne w hodowli mieszańców F1 roślin uprawnych, w tym również i marchwi [THOMPSON 1961; PETERSON,SIMON 1986;NOTHNAGEL 1992]. Brak pręcików u roślin wyklucza obecność pyłku i dlatego męska sterylność objawiająca się przekształceniem pręcików w płatki kwiatów (ang. petaloid sterility) jest cechą bezpieczniejszą i chętniej wykorzystywaną przez hodowców niż (ang. brown-anther sterility) męska sterylność związana z cechą brązowych pylników [EISA,WALLACE 1969;
CHADHA, FRESE 1981; WOLYN, CHAHAL 1998]. Jednak w obrębie niektórych linii hodowlanych bezpręcikowe rośliny charakteryzują się małą wydajnością nasion, i chociaż posiadają korzystne cechy użytkowe nie zawsze można je wykorzystać w dalszej hodowli [KOZIK,NOWAK 2002,2003].
Celem pracy było zbadanie zależności między morfologią kwiatów marchwi a ich zdolnością do wytwarzania nasion.
Materiał i metody
Przedmiotem badań były kwiaty roślin marchwi z doświadczeń hodowlanych prowadzonych w warunkach szklarniowych w latach 2006-2008. Do tych badań przeznaczono z każdej linii po trzy pary roślin rodzicielskich, które umieszczane były w odrębnych izolatorach i zapylane przez muchy domowe. Badano otwarte kwiaty z baldacha głównego i baldachów I-IV rzędu roślin rodzicielskich reprezentujących 9 linii męskosterylnych (matecznych) i 9 linii męskopłodnych (ojcowskich). Dla określenia stopnia nieprawidłowości morfologicznych w obrębie każdej linii analizowano kwiaty 5-10 roślin, po 50-100 losowo wybranych kwiatów. Oceniano następujące cechy kwiatów: barwę, kształt i wielkość poszczególnych elementów kwiatu, budowę tkanek pylników i zalążni, kiełkowanie pyłku na znamionach słupków i penetrację łagiewek pyłkowych do zalążków. Nasiona z każdej rośliny zbierano bez wyodrębniania poszczególnych baldachów. Liczbę nasion określono na podstawie średniej z trzech roślin każdej analizowanej linii. Do analiz morfologicznych i histologicznych wykorzystano mikroskopy stereoskopowy OLYMPUS SZX16 i mikroskop NIKON ECLIPSE 80 i z systemem cyfrowej rejestracji obrazu. Preparaty anatomiczne wykonano techniką parafinową po utrwaleniu kwiatów w mieszaninie CrAF i barwieniu skrawków safraniną z zielenią jasną [GERLACH 1972]. Powierzchnię znamion słupków
B. Dyki, R. Nowak, A. Stępowska 152
analizowano przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego Jeol JSEM-S1 w Pracowni Mikroskopii Elektronowej Instytutu Biologii PAN im. M. Nenckiego w Warszawie. Wzrost łagiewek pyłkowych badano w świetle UV mikroskopu po 24, 48 i 72 godzinach od zapylenia kwiatów wykorzystując metodę barwienia błękitem aniliny macerowanych słupków [DYKI 1978].
Wyniki i dyskusja
Kwiatostany roślin męskopłodnych i męskosterylnych miały najczęściej białe kwiaty (fot. 1, 2, 5) z dwoma dużymi miodnikami, podwójnym słupkiem i zieloną zalążnią o powierzchni żebrowanej, pokrytej licznymi włoskami. W prawidłowo zbudowanych kwiatach roślin męskopłodnych - ojcowskich widocznych było po 5 pylników na długich, sztywnych nitkach pręcikowych (fot. 1). Kilka linii, głównie roślin męskosterylnych, charakteryzowało się kwiatami barwy fioletowo-różowej, widocznej zarówno w płatkach, jak i zalążniach (fot. 4). Wyselekcjonowano również rośliny z dominacją zieleni w kwiatach (fot. 3, 6). Różnorodność barwy i morfologii kwiatów roślin marchwi posiadającej korzystne cechy użytkowe zwiększa możliwości wyselekcjonowania roślin najbardziej atrakcyjnych dla zapylających owadów, co wykazały badania wcześniej prowadzone w Instytucie Warzywnictwa [KOZIK, NOWAK
2002,2003;DYKI i in.2007]. Zaobserwowano, że nieprawidłowości w morfologii kwiatów roślin partnerskich, mogą być przyczyną zaburzeń w procesach zapylenia i zapłodnienia, co skutkuje ograniczeniem liczby zawiązanych nasion (fot. 2, 3, 6).
Zanotowano redukcję liczby pręcików do trzech, dwóch, a nawet do jednego w wielu kwiatach roślin ojcowskich (tab. 1, fot. 2). Część tych roślin miała również kwiaty z deformacjami słupków i zalążni (tab. 1, fot. 3). Badania anatomiczne kwiatów roślin męskopłodnych wykazały, że przyczyna tych nieprawidłowości może być złożona. Obserwowana degeneracja nitek pręcikowych (fot. 2) utrudniała prawdopodobnie funkcję wiązki przewodzącej i skutkowała zahamowaniem rozwoju pyłku. Natomiast brak w ścianach pylnika warstwy endotecjum (fot. 8), która jest tkanką odpowiedzialną za otwieranie się komór pylnika (fot. 7), uniemożliwiało wydostanie się ziaren pyłku i w konsekwencji prowadziło do nekrozy wewnętrznych tkanek pylnika (fot. 8). Morfologiczne deformacje kwiatów roślin matecznych obejmowały zarówno płatki, słupki, jak i miodniki. Pojawiające się w tych kwiatach pylnikopodobne struktury – pseudopylniki, z wyraźnie wyodrębnioną nitką pręcikową (fot. 5) wymagały niekiedy wnikliwych obserwacji mikroskopowych i barwienia różnicującego w celu sprawdzenia obecności tkanki sporogennej. Redukcja wielkości miodników (por. fot. 4, 5) i zalążni (por. fot. 4, 6) oraz większa od dwóch liczba znamion słupków (fot. 4), traktowane były w tych badaniach jako deformacje kwiatów (tab. 1). Różnice w średniej liczbie nasion związane były prawdopodobnie ze zróżnicowaniem liczby zdeformowanych kwiatów u roślin reprezentujących poszczególne linie (tab. 1).
Na ograniczenie liczby nasion mogły wpłynąć również zmiany destrukcyjne tkanek zalążni (por. fot. 12 i fot. 13) obserwowane zarówno u roślin ojcowskich, jak i matecznych.
Różnice w średniej liczbie nasion z jednej rośliny (tabela 1) związane były też z widocznymi różnicami w liczbie kwiatów roślin reprezentujących poszczególne linie.
Jednak możliwość kiełkowania żywotnego pyłku (fot. 9-11) na powierzchni słupków komponentów matecznych zależała od receptywności powierzchni znamienia, dlatego nie zawsze obserwowano łagiewki w tkankach słupków po zapyleniu. Mogło to być związane z niekorzystnymi dla zapylenia termicznymi czy wilgotnościowymi
MORFOLOGICZNE ZRÓŻNICOWANIE KWIATÓW ... 153 warunkami środowiska. Wrażliwość roślin na różnice temperatury czy wilgotności decydowała również o zmianach płodności pyłku u męskosterylnych roślin brokułu i kalafiora [DYKI,HOSER-KRAUSE 1990].
Tabela 1; Table 1 Analiza morfologiczna kwiatów i średnia liczba nasion roślin
linii hodowlanych marchwi
Morphological analysis of flowers and the number of plant seeds in carrot breeding lines Linia
Line Pylniki
Anthers Słupek
Pistil Zalążnia
Ovule Miodniki
Nectaries Liczba nasion z jednej rośliny Number of seeds
per plant
Kwiaty z deformacja-mi; % flowers with
de-formations G linie mateczne (męskosterylne); mother lines (male-sterile)
M linie ojcowskie (męskopłodne); father lines (male-fertile) (–) brak organu; organ absence
d duże; big-sized ś średnie; middle-sized m małe; small-sized
np. 1/5; e.g. 1/5 od 1 do 5 znamion słupka lub pręcików; from 1 to 5 stigma or stamen ps pseudopylniki; anther-like structures
df deformacje; deformations
B. Dyki, R. Nowak, A. Stępowska 154
Fot. 1. Fragment kwiatostanu marchwi z licznymi pręcikami - roślina ojcowska Photo 1. Fragment of carrot inflorescence with many stamens – parental plant
Fot. 2, 3. Kwiat rośliny ojcowskiej tylko z jednym aktywnym pylnikiem (fot. 2) i kwiat zdeformowany z pylnikami, które się nie otwierają (fot. 3)
Photo 2, 3. The flower of parental plant with only one active anther (Photo 2) and deformed flower with anthers which do not open (Photo 3)
Fot 4-6. Kwiaty marchwi bez pręcików (petaloidy) o różnej barwie płatków reprezentujące trzy linie hodowlane mateczne: z typową dla marchwi, dwudzielną szyjką słupka na dobrze rozwiniętych miodnikach (fot. 4), płatkami podobnymi do pręcików (pseudopylnikami-ps) i zredukowanym słupkiem z miodnikami (fot. 5) oraz kwiat bez zalążni (fot. 6)
Photo 4-6. Carrot flowers without stamens (petaloides), of different petal colours represent three breeding lines: with typical for carrots two-parted pistil style on well-developed nectaries (Photo 4), stamen-like petals and reduced pistil with nectaries (Photo 5) and the flower without ovary (Photo 6)
MORFOLOGICZNE ZRÓŻNICOWANIE KWIATÓW ... 155
Fot. 7-8. Przekroje poprzeczne przez pylniki roślin ojcowskich - zapylaczy: pylnik otwarty (fot. 7) i pylnik z objawami degeneracji pyłku, nieotwierający się z powodu braku endotecjum (fot. 8)
Photo 7-8. The transverse sections of parental plant stamen-pollinators: open anther (Photo 7) and anther with symptoms of pollen degeneration, not-opening because of the endothecium absence (Photo 8)
Fot. 9-10. Ziarna pyłku na powierzchni miodnika (fot. 9) i znamię słupka z łagiewką pyłkową na powierzchni znamienia (fot. 10). SEM
Photo 9-10. Pollen grains on the nectary surface (Photo 9) and stigma pistil with pollen tube on the surface of stigma (Photo 10). SEM
B. Dyki, R. Nowak, A. Stępowska 156
Fot. 11-13. Łagiewki pyłkowe w szyjce słupka - zapylenie i zapłodnienie w świetle UV mikroskopu (fot. 11). Przekroje podłużne zalążni rośliny zawiązującej nasiona (fot.
12) i z degenerującymi zalążkami (fot. 13)
Photo 11-13. Pollen tubes in pistil style - pollination and fertilization in UV light microscope (Photo 11). Longitudinal sections of plant ovary setting seeds (Photo 12) and with degenerated ovules (Photo 13)
Przy obfitym zapyleniu obserwowano kiełkujące ziarna pyłku nie tylko na znamionach słupka, ale również na powierzchni miodników (fot. 9). Część ziaren pyłku kiełkowała penetrując wewnętrzne tkanki słupka (fot. 11), natomiast widoczne były również długie, często zasychające, łagiewki pyłkowe na powierzchni słupka (fot. 10).
Procesy zapylenia i zapłodnienia poprzedzają zawiązywanie nasion (fot. 12), a zaburzenia w tych procesach prowadzą bądź do degeneracji zalążków (przed zapłodnieniem) lub do degeneracji zarodków (po zapłodnieniu), co przejawia się obecnością nekrotycznej tkanki wewnątrz słabo rozwiniętej zalążni (fot. 13).
Wnioski
1. Na obniżenie produktywności nasion linii hodowlanych marchwi mogły mieć wpływ nieprawidłowości morfologiczne kwiatów roślin ojcowskich oraz matecznych.
2. Liczba nasion była związana z cechami kwiatów determinującymi przebieg procesów zapylenia i zapłodnienia.
3. Do cech morfologicznych odpowiedzialnych za ograniczenie liczby nasion roślin badanej populacji marchwi należały: zielona barwa kwiatów, redukcja miodników, destrukcja słupków (znamion, szyjki i zalążni), brak zalążni, degeneracja zalążków lub zarodków, degeneracja pylników i pyłku.
4. Rośliny marchwi o białych kwiatach, dużych miodnikach i odkrytych, wysokich słupkach z kulistymi znamionami wytworzyły najwięcej nasion, gdyż były prawdopodobnie najbardziej atrakcyjne dla zapylających owadów.
Literatura
CHADHA M.L.,FRESE L.1981.Observations on a petaloidy type of male sterility in carrots (Daucus carota L.). Gartenbauwissenschaft 46: 21-24.
DYKI B. 1978. Zastosowanie metody fluorenscencyjnej do badania samoniezgodności liniii hodowlanych kalafiorów. Biul. Warz. XXI: 267-72.
DYKI B.,HOSER-KRAUSE J.1990. The influence of temperature on the morphology and anatomy of anthers of a male sterile hybrid Brassica oleracea var. Italica Plenck x B.
oleracea var. Botrytis L. Genetica Polonica 31: 112-116.
DYKI B.,KAMIŃSKI P.,NOWAK R.,NOWAKOWSKA M. 2007. Różnorodność morfologiczna kwiatów w hodowli roślin kapustowatych i marchwi. 54 Zjazd PTB „Botanika w Polsce - sukcesy, problemy, perspektywy”. Szczecin, 3-8 IX 2007. Streszczenia referatów i plakatów: 23.
EISA H.M.,WALLACE D.H.1969. Morphological and anatomical aspects of petaloidy in the carrot (Daucus carota L.). J. Amer. Soc. Hort. Sci. 94: 545-548.
MORFOLOGICZNE ZRÓŻNICOWANIE KWIATÓW ... 157 GERLACH D.1972.Zarys mikrotechniki botanicznej. PWRiL, Warszawa: 297 ss.
KOZIK E.U.,NOWAK R.2002 Morphological features in petaloid cytoplasmic malesterie lines of carrot (Daucus carota L.) in the vegetative phase. VCRB 56: 24-29.
KOZIK E.U., NOWAK R. 2003. Porównanie linii marchwi z cechą cytoplazmatycznej męskiej sterylności w fazie generatywnej. I Zjazd PTNO „Współczesne ogrodnictwo i jakość życia”. Folia Horticulturae, Suplement 2003/1: 114-116.
NOTHNAGEL T.1992.Results in the development of alloplasmic carrots. Plant Breeding 109: 67-74.
PETERSON C.E.,SIMON P.W.1986.Carrot breeding, w: Breeding vegetable crops. Basset M.J. (red.), AVI. Westport 9: 321-356.
THOMPSON D.J.1961. Studies on the inheritance of male-sterility in the carrota Daucus carota L. var. sativa. Proc. Amer. Soc. Hort. Sci. 78: 332-338.
WOLYN D.J.,CHAHAL A.1998. Nuclear-cytoplasmic interactions for petaloid male-sterile accessions of wild carrot, Daucus carota L. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 123: 849-853.
Słowa kluczowe: marchew, morfologia kwiatu, płatkowy typ cms, nasiona Streszczenie
Badano zależności między morfologią kwiatów marchwi męskosterylnych i męskopłodnych linii hodowlanych i zdolnością do wytwarzania nasion.
W badanej populacji męskosterylnych roślin marchwi kwiaty charakteryzowały się przekształceniem pręcików w dodatkowe struktury płatkopodobne o różnych kształtach. W niektórych pylnikopodobnych strukturach kwiatu stwierdzono obecność degenerującej tkanki sporogennej. Wyniki obserwacji i analiz mikroskopowych pozwalają twierdzić, że na obniżenie produktywności nasion linii hodowlanych marchwi mogły mieć wpływ defekty i nieprawidłowości morfologiczno-funkcjonalne kwiatów roślin ojcowskich oraz matecznych. Degeneracja pyłku, brak warstwy endotecjum, decydującej o otwieraniu się pylnika, wzrost łagiewek pyłkowych po zewnętrznej powierzchni szyjki słupka należały do najczęściej występujących ograniczeń w ilości pyłku aktywnego w zapłodnieniu. Cechy męskosterylnych roślin matecznych utrudniające proces zawiązywaniu nasion to: zielona barwa płatków, redukcja miodników, deformacje słupków, brak zalążni, degeneracja zalążków lub zarodków. Najmniej nasion wytworzyły rośliny z licznymi deformacjami morfologicznymi znamion słupka i miodników. Kwiaty roślin męskosterylnych o białych płatkach, dużych miodnikach i wysokich, podwójnych słupkach wydały najwięcej nasion, gdyż były prawdopodobnie najbardziej atrakcyjne dla zapylających owadów.
MORPHOLOGICAL DIVERSITY OF FLOWERS AND NUMBER OF SEEDS IN THE BREEDING LINES OF CARROT
Barbara Dyki, Renata Nowak, Anna Stępowska Research Institute of Vegetable Crops, Skierniewice
B. Dyki, R. Nowak, A. Stępowska 158
Key words: carrot, flower morphology, petaloidy-type cms, seeds
Summary The aim of study was to examine relation between flower morphology of male-sterile (CMS) as well as male-fertile breeding lines of carrot and its fertility and ability of seed setting.
Stereoscopic microscope, electron scanning microscope and light microscope with polarization and UV lamp were used in research. In examined male-sterile carrot population the flowers rods were transformed into additional petal-like structures of different shapes. It was observed that in particular anther-like structures of flower degenerate the sporogenic tissue. As a result of observations and microscope analysis it is claimed that lower production of carrot breeding line seeds could be caused by defects and morphological- functional abnormalities of mother and father- parental flowers. Degeneration of pollen, the absence of endothecium, which is always responsible for opening the anthers and growth of pollen tubes on the external area of the pistil, had also influence on restrictions in the number of pollen active in fertilization. Specific traits of male-sterile mother plants which inhibited process of seed setting were: green colour of petals, floral nectaries reduction, pistils deformation, ovule and embryo degeneration. The lowest amount of seeds were produced by plants with many stigma pistil and nectaries deformations. Male-sterile plants of white flower petals, big nectaries, exposed, doubled pistils and big ovaries produced more seeds than the other mother plants.
Doc. dr hab. Barbara Dyki
Instytut Warzywnictwa im. Emila Chroboczka ul. Konstytucji 3 Maja 1/3
96-100 SKIERNIEWICE e-mail: bdyki@iwarz.pl
ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2009 z. 539: 159-168