Сравнительно-эмбриологическое исследование некоторых образцов топинамбура (Helianthus tuberosus L.) из коллекции ВИР, различающихся завязываемостью семян

   Актуальность. Топинамбур (Helianthus tuberosus L.) – сельскохозяйственная культура c преимущественно вегетативным размножением и угнетением полового процесса, что затрудняет селекционную работу с ним и приводит к сложностям в получении межвидовых гибридов при использовании в селекции подсолнечника. Актуально подробное изучение причин отсутствия семенного размножения.

   Материалы и методы. Исследовались образцы коллекции ВИР, сохраняемые на Майкопской опытной станции – филиале ВИР: ‘Topianka’ (к-70), ‘М-24-29’ (к-90), ‘2М-22-29’ (к-119), Скатовский (к-123), ‘Киевский красный’ (к-170). Соцветия для эмбриологического анализа зафиксированы в фазе цветения. Материал обработан для получения постоянных препаратов для световой микроскопии в лаборатории эмбриологии и репродуктивной биологии БИН РАН.

   Результаты. Цитоморфологический анализ мужского гаметофита – пыльцевого зерна (ПЗ), стенки пыльника, а также исследование развития семязачатка и в нем женского гаметофита – зародышевого мешка (ЗМ) показали, что от 51 до 95 % образующихся ПЗ и от 23,1 до 66,6 % ЗМ сформировано нормально. Аномалии развития чаще отмечались в женских репродуктивных структурах, но и они не являются решающим фактором плохой завязываемости семян. Так, для сорта ‘Киевский красный’ отмечается наибольшее количество аномальных генеративных структур, а для сорта ‘Topianka’ – наименьшее, но у обоих почти не образуются семена. Больше всего семян (от 207 до 1164 шт.) завязывалось у сорта ‘2M-22-29’, который характеризуется средними показателями в мужской (фертильных ПЗ 81 %) и в женской сфере (жизнеспособных ЗМ – 59,4 %). Невозможность опыления вследствие самонесовместимости (была отмечена для сорта ‘Topianka’), которая приводит к старению и деструкции нормально сформированных ЗМ, также уменьшает семенную продуктивность.

   Заключение. Для успешного завязывания семян необходимо сочетание ряда факторов – отсутствия отклонений в развитии генеративных структур и наличия перекрестного опыления и правильного (совместимого) опылителя.

1. Abdalla N., Arafa N., Taha H., Ragab M., El-Miniawy S., Tóth I. et al. An overview on anatomy of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) Environment, Biodiversity and Soil Security. 2021;5:121-130. DOI: 10.21608/jenvbs.2021.74585.1136

2. Анушкевич Н.Ю., Комаров А.А., Пасько Н.М. Особенности культивирования топинамбура в условиях Ленинградской области. Известия Санкт-Петербургского Государственного аграрного университета. 2019;3(56):49-58. DOI: 10.24411/2078-1318-2019-13049

3. Бабро А.А., Воронова О.Н. Развитие мужских репродуктивных структур у Helianthus ciliaris и H. tuberosus (Asteraceae). Ботанический журнал. 2018;103(9):1093-1108. DOI: 10.7868/S0006813618090028

4. Барыкина Р.П., Веселова Т.Д., Девятов А.Г., Джалилова Х.Х., Ильина Г.М., Чубатова Н.В. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. Москва: МГУ; 2004.

5. Беляева Н.С. К вопросу стерильности топинамбура (развитие женского гаметофита). Известия Академии наук Туркменской ССР. Серия биологических наук. 1975;(4):37-43.

6. Бретон К., Киру С.Д., Бервилле, А., Анушкевич Н.Ю. Селекция топинамбура (Helianthus tuberosus L.) для нетрадиционного использования: ретроспектива, подходы и перспективы (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2017;52(5):940-951. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.940rus

7. Denisow B., Tymoszuk K., Dmitruk M. Nectar and pollen production of Helianthus tuberosus L. – an exotic plant with invasiveness potential. Acta Botanica Croatica. 2019;78(2):135-141. DOI: 10.2478/botcro-2019-0019

8. Дзюбенко Л.К. Особливостi розвитку чоловiчного тажiночного гаметофiтiв топiнамбура (Helianthus tuberosus L.). Український ботанічний журнал. 1965;22(1):43-53.

9. Куприянов П.Г. Диагностика систем семенного размножения в популяциях цветковых растений. Саратов: Саратовский университет; 1989.

10. Лебедева Н.В., Смекалова Т.Н., Любченко А.В. Каталог мировой коллекции ВИР, Выпуск 900, Топинамбур (Helianthus tuberosus L.), Образцы топинамбура иностранного происхождения. Санкт-Петербург: ВИР; 2019.

11. Matei G., Vlăduț V., Isticioala S., Pânzaru R.L., Popa D. Potential of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) as a biomass crop. Scientific Papers. Series A. Agronomy. 2020;LXIII(1):387-393.

12. Пасько Н.М. Helianthus tuberosus L. (морфология, классификация, биология, исходный материал для селекции) : дис. … д-ра сельскохоз. наук. Ленинград: ВИР; 1989. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01008031018 [дата обращения: 10. 03. 2023].

13. Пасько Н.М. Топинамбур – перспективная кормовая культура. Майкоп: Краснодарское книжное издательство; 1972.

14. Ryazanova M.K., Voronova O.N. The embryology of Helianthus maximilianii (Asteraceae): formation of the anther wall, microsporogenesis and pollen grain development. The International Journal of Plant Reproductive Biology. 2022;14(1):54-62. Available from: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49856141 [accessed Mar. 10, 2023].

15. Sawicka B., Danilcenko H., Jariene E., Skiba D., Rachoń L., Barbaś P. et al. Nutritional value of Jerusalem artichoke tubers (Helianthus tuberosus L.) grown in organic system under Lithuanian and Polish conditions. Agriculture. 2021;11(5):440. DOI: 10.3390/agriculture11050440

16. Щибря Н.А. Скрещивание топинамбура с подсолнечником. Вестник гибридизации. 1941;(1):66-84.

17. Shen S., Xu G., Li D., Yang S., Jin G., Liu S. et al. Potential use of Helianthus tuberosus to suppress the invasive alien plant Ageratina adenophora under different shade levels. BMC Ecology and Evolution. 2021;21:85. DOI: 10.1186/s12862-021-01826-5

18. Смекалова Т.Н., Лебедева Н.В., Новикова Л.Ю., Любченко А.В. Морфологические особенности соцветий топинамбура (Helianthus tuberosus L.) по материалам коллекции ВИР. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2018;179(4):128-140. DOI: 10.30901/2227-8834-2018-4-128-140

19. Татинцева С.С. Развитие мужского гаметофита топинамбура (Helianthus tuberosus L.). Известия Академии наук Туркменской ССР. Серия биологических наук. 1971;(1):14-21.

20. Воронова О.Н., Бабро А.А. Формирование зародышевого мешка, развитие семязачатка и семени у Helianthus ciliaris и H. tuberosus (Asteraceae). Ботанический журнал. 2021;106(3):239-254. DOI: 10.31857/S0006813621030091

21. 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;180(1):95-104. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-1-95-104

22. Wang Y., Zhao Y., Xue F., Nan X., Wang H., Hua D. et al. Nutritional value, bioactivity, and application potential of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) as a neotype feed resource. Animal Nutrition. 2020;6(4):429-437. DOI: 10.1016/j.aninu.2020.09.001

23. Wilcock C.C. Pollination failure in natural populations: implications for the conservation of rare plants. In: T.B. Batygina (ed.). Embryology of Flowering Plants. Terminology and Concepts. Vol. 3. Reproductive Systems. Enfield: CRC Press; 2009. p.126-136.

24. Zanetti J.M., Greizerstein E., Camadro E., Poverene M., Echeverria M., Poggio L. et al. Genomic relationship between hexaploid Helianthus resinosus and diploid Helianthus annuus (Asteraceae). Plant Systematics and Evolution. 2014;300(5):1071-1078. DOI: 10.1007/s00606-013-0945-0

25. Зеленков В.Н. Топинамбур (Helianthus tuberosus L.). Сообщение 1. Биологические аспекты развития растения в природе и на территории России (обзор литературы). Вестник Российской академии естественных наук. 2017;17(2):71-78. URL: https://raen.info/upload/000/vestnik/2017/2/71-78.pdf [дата обращения: 10. 03. 2023].