НАСЛЕДОВАНИЕ И ДЕТЕРМИНАЦИЯ ОПУШЕНИЯ СТЕБЛЯ И ДРУГИХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ У ВНУТРИВИДОВЫХ И МЕЖВИДОВЫХ ГИБРИДНЫХ ПОКОЛЕНИЙ F1 G.hirsutum L. И G.barbadense L

АННОТАЦИЯ

Настоящее исследование посвящено изучению типов и плотности трихомов на поверхности листьев и стеблей у шести родительских форм видов Gossypium hirsutum L. и G. barbadense L., а также их внутривидовых и межвидовых гибридов первого поколения (F₁). Наблюдения проводились с использованием цифрового микроскопа Levenhuk DTX 500 Mobi и мобильной макролинзы. Согласно полученным данным, у образцов G. hirsutum L. преобладали разветвлённые (≈45 %) и одиночные трихомы (≈35 %), тогда как у образцов G. barbadense L. чаще встречались звездчатые трихомы (≈60 %). Изучены растения с различной степенью опушённости и формами трихомного покрова. Наиболее примечательным результатом стало выявление доминирования высокой плотности трихомов во всех гибридных комбинациях F₁, полученных с участием родительских форм пилозного типа. Полученные результаты представляют интерес для морфо-анатомического анализа и могут быть использованы в селекционной практике хлопчатника.

ABSTRACT

This study investigates the types and density of trichomes on the leaf and stem surfaces of six parental forms of Gossypium hirsutum L. and G. barbadense L., as well as their intraspecific and interspecific F₁ hybrid combinations. Observations were conducted using a Levenhuk DTX 500 Mobi digital microscope and a mobile macro lens. According to the results, G. hirsutum L. samples predominantly exhibited branched (≈45%) and simple trichomes (≈35%), while G. barbadense L. samples mainly displayed stellate trichomes (≈60%). The study included samples with varying degrees of trichome density and pubescence types. The most notable finding was the dominance of high trichome density in all F₁ hybrid combinations derived from crosses involving pilose-type parental forms. These findings are significant for the morpho-anatomical analysis and breeding of cotton.

Ключевые слова: хлопчатник, трихома, опушение стебля, фенология, гладкий, пилозное (густо покрыты трихомами), стебель, период цветения, звездообразное, pазветвленные, одиночная, комплексная.

Keywords: сotton plant, trichome, stem pubescence, phenology, smooth, pilose (densely covered with trichomes), stem, flowering period, stellate, branched, single, complex.

Введение. Выращивание и переработка хлопчатника и других волокнистых культур имеет важное экономическое значение во всем мире. В настоящее время ежегодно в мире производится 26–27 миллионов тонн хлопка. Основная часть этого урожая, а именно 60 %, приходится на такие крупные страны, как Китай, Индия и США. Узбекистан занимает 6-е место в мире по производству хлопка. Однако значительная часть урожая хлопка, то есть 15–25 %, теряется из-за биотических факторов (вредителей и болезней), а 20–30 % – из-за абиотических факторов (засуха, изменения качества почвы и температуры). С экономической точки зрения, это существенный показатель, требующий комплексных подходов для сохранения урожайности и снижения потерь [1; 2]. В связи с этим, большое значение имеет глубокое исследование физиологических и морфологических показателей листьев, стеблей и других органов хлопчатника. В частности, трихомы хлопчатника изучаются как важный индикатор повышения стрессоустойчивости растения. Джеффри (1986) перечисляет следующие виды трихом: 1) простые одноклеточные, 2) многоклеточные однорядные, 3) многоклеточные многорядные, 4) 2-5-ветвистые, 5) звездчатые, 6) дендритные или древовидные, 7) пельтатные. Волоски, продуцирующие химические вещества, называются железистыми трихомами, а волоски, не продуцирующие химические вещества, – нежелезистыми трихомами. Эти вещества могут препятствовать передвижению, питанию и жизнедеятельности насекомых [3; 4].

Теобальд и Бартлотт, основываясь на распространении трихом в листьях, разделили их на три категории: крупные, мелкие и железистые трихомы. Крупные трихомы распространены преимущественно на абаксиальной стороне, по краям листа, а также в области сосудистых пучков. Мелкие трихомы в околоустьичных клетках, и железистые трихомы обычно равномерно распределены по всей или части субэпидермальной ткани листа [5; 6]. Кроме того, трихомы подразделяются на ветвистые, дендритные, туфтевидные или звездчатые виды [7; 8]. Основное различие между трихомами заключается в их "железистом" и "нежелезистом" фенотипическом проявлении.

При дифференциации нежелезистых трихом в основном учитывается их морфология. Основным показателем для дифференциации железистых трихом обычно является секреторный материал, который они выделяют, накапливают или абсорбируют. Оба типа трихом могут быть как одноклеточными, так и многоклеточными, разветвленными или неразветвленными. Неразветвленные многоклеточные трихомы бывают однорядными, двухрядными и многорядными, различаются по длине, размеру и форме клеток, а их концы могут быть острыми или тупыми. Разветвленные многоклеточные трихомы могут быть одноклеточными или многоклеточными, различной длины, равными или неравными, расположенными в вертикальной или горизонтальной плоскости, с чередующимися, противоположными или множественными ответвлениями, имеющими кустистую форму [9]. Meyer (1957) выделил три фенотипа опушенности у G.hirsutum L.: голый (гладкий лист, без волосков), хирсутный (средней длины, средней плотности) и пилозный (короткий, густо опушенный). Смит (1964) отмечает, что среднее количество трихом на листовой пластинке хлопчатника варьируется от 2 до 205 на квадратный сантиметр. Опушенность абаксиальных листьев и стеблей оценивалась на основе рейтинговой системы, разработанной Bourland и др. (2003). Основные показатели данной рейтинговой системы обозначены следующим образом: 1 (голый), 3 (слабо опушенный), 5 (средне опушенный), 7 (сильно опушенный) и 9 (пилозный). Если растение не соответствует одному из этих основных классов, его можно оценить с помощью промежуточных уровней (2, 4, 6 и 8) [10].

Ронг Юань и другие исследователи разделили плотность трихом стебля на шесть (0–5) классов и изучили четыре (I–IV) типа форм, различающихся от безволосистых до густоволосистых (пилозных) форм. При исследовании под стереомикроскопом были обнаружены два вида трихом, растущих из трихопор стебля: одиночные и пучковые сложные дендритные трихомы, напоминающие трихомы листа [11].

Трихомы помогают защитить растение хлопчатника от насекомых и других вредителей. Ванджура, Мередит и их коллеги (1976–1996) утверждали, что трихомы увеличивают засоренность хлопкового волокна листьями, что снижает качество волокна [12]. Исследования Meagher (1997) и Jenkins (1989) подтвердили прямую связь между трихомами и устойчивостью к вредителям: сорта хлопчатника с большим количеством трихом более устойчивы к белокрылке и тле, что снижает необходимость применения пестицидов. Сорта с меньшим количеством трихом или без них более подвержены нападению вредителей [13]. Кроме того, существует положительная корреляция между трихомами и выходом волокна, а также показателями микронейра волокна. Однако длина и прочность волокна имеют отрицательную взаимосвязь [14]. Существует вероятность того, что гены, контролирующие трихомы и признаки качества волокна, могут быть расположены на одной хромосоме и оказывать плейотропное действие. Высокая опушенность стеблей или листьев не оказывает отрицательного влияния на некоторые основные признаки хлопчатника (например, количество моноподиальных и симподиальных ветвей, урожайность хлопка-сырца и вес хлопка-сырца одной коробочки). 

Целью исследования является изучение распространения, плотности и морфологических особенностей типов трихом на поверхности листьев и стеблей у сортов и линий хлопчатника, относящихся к видам G. hirsutum L. и G.barbadense L., а также их внутривидовых и межвидовых гибридных комбинаций F₁, и определение наследственного проявления опушения листьев и стеблей.

Материалы и методы исследования. В качестве объекта исследования были выбраны сорт Afsona и линия L-10, относящиеся к виду G. hirsutum L., а также сорт Marvarid и линия A-4384, относящиеся к виду G. barbadense L. Также были изучены внутривидовые и межвидовые гибридные комбинации F₁, полученные на основе этих сортов и линий. Всего было оценено 16 генотипов хлопчатника, из каждого отобрано по 50 растений, и собраны данные наблюдений с 800 индивидуальных образцов.

Каждое растение оценивали по плотности трихом на поверхности листьев и стеблей. Анализы проводились в полевых условиях в течение вегетационного периода от цветения до созревания растений. Наблюдения осуществлялись с помощью цифрового ручного микроскопа Levenhuk DTX 500 Mobi и мобильной макролинзы Apexel. Вдоль каждого стебля по ярусам были сделаны отдельные снимки, отмечены структурные различия. В результате было получено более 3200 микроскопических изображений, каждое из которых использовалось для морфологического анализа.

Плотность и типы трихомы оценивались на основе рейтинговых шкал Bourland (2003). В ходе оценки трихомы были разделены на "пилос" (волосистые) и "голые" (гладкие) формы. Образцы, имеющие форму пилоса, характеризовались плотным опушением на поверхности листьев, стеблей и других органов, равномерным расположением и светло-зеленым цветом. Опушенные формы отличались неравномерным опушением и ярко-зеленым цветом. С целью снижения вероятности неравномерного распространения трихом на стебле применялся строгий наблюдательный подход по ярусам.

Исследования проводились на опытном участке "Дурмень" Института генетики и экспериментальной биологии растений Академии наук Республики Узбекистан, расположенном в Кибрайском районе Ташкентской области. Экспериментальное поле состоит из 80 рядов длиной 150 метров, где растения высаживаются по схеме 1×20×60.

Результаты и их обсуждение. В исследовании путем сравнительного фенотипирования оценивались детерминанты опушения стеблей и других фенологических признаков G. hirsutum (Gh) и G. barbadense (Gb), а также изучалось их наследование у межвидовых и внутривидовых гибридов F₁.

В исследованиях 2023–2024 гг. изучены виды трихом листьев и стеблей, а также сделан общий вывод о трихомах листьев и стеблей во внутривидовых и межвидовых гибридных комбинациях двух культурных тетраплоидных видов.

Кроме того, с использованием гербарных образцов двух линий Л-10 и А-6140, принадлежащих к виду G.hirsutum L., длина трихом края листа измерялась на специальном калибровочном предметном стекле с помощью светового микроскопа [12] (рис. 1).

Рисунок 1. Виды трихом стеблей и листьев видов G.hirsutum L. (G/h) и G.barbadense L. (G/b), а также трихомы краев листьев, измеренные под микроскопом и на предметном стекле калибровочного слайда. (600-700 μ микрон). A-B - линия хлопчатника А-4384 (G/b), C - сорт хлопчатника Марварид (G/b), D - сорт хлопчатника Афсона (G/h), E-K - линия хлопчатника Л-10 (G/h), G - линия хлопчатника А-6140.

Таблица 1.

Фенологические особенности родительских форм и гибридных комбинаций F₁ хлопчатника на фоне опушения

У изученных 20 гибридных комбинаций F₁ наследственная экспрессия видов трихомы (одиночная, ветвистая, звездообразная, комплексная) и степени опушенности стебля проявлялась значительной изменчивостью по сравнению с родительскими показателями (Таблица 1).

В частности, все 10 вида G. hirsutum L., проявили опушенность, при этом демонстрируя сравнительно различные процентные показатели типов трихом. Также у комбинаций F₁ Марварид × Афсона и Афсона × Марварид наблюдалось высокое опушение, при этом отмечено преобладание особенностей опушения сорта Марварид. В этих двух случаях опушение листьев и стеблей может быть объяснено либо доминантностью, либо сильной экспрессивностью аллеля.

Однако в некоторых комбинациях, несмотря на доминирование различий в степени опушения между родительскими сортами или линиями, виды трихом были выражены преимущественно или промежуточно.

Например, процентное соотношение видов трихомы F₁ сдвинулось к сорту Афсона, т.е. в этих комбинациях увеличилось соотношение разветвленных и одиночных трихом. Напротив, у межвидовых гибридных комбинаций А-4384 × Л-10 и Л-10 × А-4384 F₁ опушение стебля было представлено в состоянии пилозное, а формы трихомы – в промежуточном состоянии.

Кроме того, у некоторых межвидовых и внутривидовых гибридных комбинаций F₁ в промежуточном состоянии наблюдалось опушение листьев и стеблей. Например, у гибридных комбинаций А-3638 × А-4384 и А-4384 × А-3638 F₁ наблюдалось промежуточное состояние по опушенности стебля, а у гибридов А-6140 × А-4384 и А-4384 × А-6140 F₁ – полное или промежуточное.

Эти случаи указывают на то, что наследование формы трихомы происходит под полигенным и аддитивным контролем.

Вместе с тем, параллельно с видами трихомы и степенью опушения стебля выявлены определенные зависимости в периодах цветения (раннее, среднее, позднее), типе ветвления и показателях расположения первой плодовой ветви (hs). В частности:

У внутривидовых и межвидовых комбинаций, где наблюдалось опушение пилос, цветение, как правило, приходилось на средний или поздний период, а hs располагалось около 6–7 узлов, симподиальное ветвление у межвидовых комбинаций проявлялось IV типом, а у внутривидовых комбинаций – I и II типами.

У высокоопушенных гибридных комбинаций Марварид × Афсона, Афсона × Марварид наблюдалась аналогичная ситуация, но потенциал цветения сместился в сторону Афсона. Первая плодовая ветвь (hs) располагалась на 4–5 узлах. Это указывает на их среднее и раннее цветение.

На фоне низкой или средней опушенности симподиальный тип ветвления был выражен от 0 до IV типа, сроки цветения были ранними или средними, а показатель hs находился в пределах 4–5 узлов.

В частности, у внутривидовых комбинаций F₁ G. barbadense L × G. barbadense L, таких как Марварид × А-4384 и А-4384 × Марварид, несмотря на низкую опушенность стебля, у видов трихом сохраняется звездообразное преобладание, близкое к Марварид. У этих комбинаций период цветения ранний или средний, показатель hs равен 4, симподиальное ветвление выражено в 0 типе.

У гибрида А-4384 × А-6140 F₁, являющегося одной из комбинаций с гладким опушением, опушение стебля было крайне низким и отличалось гладкой поверхностью. В этом случае период цветения поздний, а первая плодовая ветвь (hs) расположена на 4-м узле. Тип ветвления представлен нулевым симподиальным типом. Виды трихом, несмотря на звездообразное преобладание, сохранили низкий общий уровень опушения (рис. 2).

Рисунок 2.  Фенологические особенности родительских форм и гибридных комбинаций F₁ хлопчатника на фоне опушения

1. Зависимость высоты первой плодовой ветви (hs) от степени опушения листьев и стебля у сортов и гибридов хлопчатника.

2. Связь между степенью опушения и симподиальным типом ветвления у различных форм хлопчатника.

3. Процент одиночных и разветвлённых трихом в зависимости от степени опушения листьев и стебля.

4. Процент звездообразных и комплексных трихом у образцов с различной степенью опушения.

5. Влияние степени опушения на период цветения у исследуемых генотипов хлопчатника.

Это свидетельствует о том, что случаи гладкого или крайне малого опушения в большинстве случаев могут не оказывать существенного влияния на тип ветвления и физиологию цветения, сохраняя при этом баланс между вегетативной и генеративной стадиями. Вместе с тем, интенсивность опушения не всегда пропорциональна типу и количеству трихом, важную роль играет их зависимость от наследственной активности, генов-модификаторов и степени экспрессивности.

Заключение

Виды трихом и степень опушенности стебля изученных образцов выделялись как важные морфологические признаки. Установлено, что фенотипическое разнообразие видов трихом и изменчивость степени опушения по сравнению с родительскими формами имеют особенности проявления, характерные для комбинаций.

У некоторых комбинаций преобладал признак высокой опушенности отцовской формы, в других случаях наблюдался промежуточный или односторонний сдвиг видов трихом. Это указывает на генетическую сложность наследования признаков, формирующуюся под влиянием таких факторов, как доминантность, аддитивность и экспрессивность.

Кроме того, хотя и были отмечены некоторые взаимосвязи между опушением стебля и сроком цветения, расположением первой плодовой ветви и типом ветвления, их непосредственное взаимодействие не является строгим. Это позволяет рассматривать эти признаки как независимо контролируемые, но в некоторых комбинациях проявляющие фенотипическую согласованность.

В целом, полученные результаты служат важной основой для выявления перспективных комбинаций для селекции хлопчатника, особенно при отборе морфологических признаков, влияющих на опушенность, форму трихом и урожайность.

Список литературы:

1. Арутюнян Р.С., Налбандян Дж.М., Бейлерян Н.М. // Кинетика и катализ. –1985. – Т. 26. – Вып. 4. – № 6. – С. 1475–1477.
2. Владимиров Ю.А., Суслова Т.Б., Оленев В.И. Митохондрии. Транспорт электронов и преобразование энергии. – М.: Наука, 1976. – 109 c.
3. Денисов Е.Т. Элементарные реакции ингибиторов окисления // Успехи химии. – 1973. – Т. 42. – Вып. 3. –С. 361–390.
4. Pokorny J., Luan N.T., Janicek G. Changes of to copherols in vegetable oils under the conditiong of deep fat frying // Sb. Vysoke skoly chemicko – technologicke V Praze. – 1973. – E. 39. – P. 24–41.
5. Kloth R.H. New evidence relating the pilose allele and micronaire reading in cotton // Crop Science. – 1993. – Vol. 33. – Pp. 683–687.
6. Kohel R.J., Lewis C.F., Richmond T.R. Isogenic lines in American upland cotton (Gossypium hirsutumL.): Preliminary evaluation of lint measurements // Crop Science. – 1967. – Vol. 7. – Pp. 67–70.
7. Lee J.A. Effects of two pilosity alleles on agronomic and fibre traits in upland cotton // Crop Science. – 1984. – Vol. 24. – Pp. 127–129.
8. Meagher R.L., Smith C.W., Smith W.J. (1997). Preference of Gossypium genotypes to Bemisia argentifolii (Homoptera: Aleyrodidae) // Journal of Economic Entomology. – 1997. – Vol. 90(4). – Pp. 1046–1052.
9. Nawab N.N., Shakil Q., Niaz SH., Iqbal M.M., Asif M.A., Khan I.A. Genetics of trichomes and its association with fibre and agronomic traits in cotton // African Journal of Biotechnology. – 2011. – Vol. 10(20). – Pp. 3964–3972. 
10. Rong Yuan, Yuefen Cao, Tengyu Li, Feng Yang, Li Yu, Yuan Qin, Xiongming Du, Fang Liu, Mingquan Ding, Yurong Jiang, Hua Zhang, Andrew H. Paterson, Junkang Rong Differentiation in the genetic basis of stem trichome development between cultivated tetraploid cotton species // BMC Plant Biology. – 2021. Vol. – 21. – P. 115.
11. Simpson D.M. Fuzzy leaf in cotton and its association with short lint // Journal of Heredity. – 1947. – Vol.  38. – Pp. 153–156.
12. Tursunov M.M., Sanayev N., Ergashev M., Ro‘ziboyev X., G‘o‘za barg tuklanish fenotipi hamda ularni birlamchi tahlil qilish va o‘zaro aloqadorligini aniqlash. O‘zbekiston Milliy Universiteti xabarlari, 2024, [3/1] ISSN 2181-7324. 152-155 b.
13. Wang X., Shen C., Meng P. Analysis and review of trichomes in plants // BMC Plant Biology. – 2021. – Vol.  21. – P. 70.
14. Werker E. Trichome Diversity and Development // Advances in Botanical Research. – 2000. – Vol. 31. – P. 2.