Семеноводство капусты
Развитие семян капусты делится на три фазы:
- деление клеток и раннее накопление в первые 14 дней после цветения;
- накопление запасов в следующие 14-49 дней;
- период обезвоживания в течение последних 7 дней.
Процессы, связанные с развитием и созреванием семян, иллюстрируются последовательностью рисунков, взятых из подробных исследований Гурусами и Тиагарджана (1998), которые использовали цветную капусту в качестве модельной системы.
Географическое происхождение родительских генотипов, дающих семена, влияет на точное время каждой из этих фаз. Цветная капуста, например, возникла в умеренном, прохладном климате, поэтому её семена требуют более длительного периода развития от цветения до созревания.
Иллюстрация изменения длины и ширины семенной коробочки цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis) после цветения (Gurusamy and Thiagarajan)
Семенные коробочки (стручки) меняют цвет с зелёного на розовато-жёлтый и коричневый примерно на 49-й день. Семенные коробочки удлиняются и увеличиваются в ширину (рис.) по мере созревания.
Иллюстрация изменения сырого и сухого веса семенной коробочки цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis) в процессе развития (Gurusamy and Thiagarajan)
Наблюдается увеличение сырой массы примерно до 4 недель после цветения и неуклонное увеличение сухой массы по мере высыхания стручков (рис.).
Иллюстрация изменения сырого веса и сухого веса семян цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis) в процессе развития (Gurusamy and Thiagarajan)
Эти изменения отражаются на семенах (рис.).
По мере созревания семян их внутренние клеточные мембраны укрепляются и становятся более способными удерживать растворённые вещества внутри клетки. Прочность или целостность мембраны измеряют, помещая образец семян в дистиллированную воду и определяя изменения электропроводности по мере просачивания растворённых веществ в раствор.
Количество свободных аминокислот и сахаров в клетках увеличивается от начала образования семян до 21 дня после цветения. После этого количество свободных растворённых веществ снижается с возрастающей скоростью по мере созревания семян. Уменьшение свободных, растворимых соединений в семенах происходит в результате их превращения в связанные, нерастворимые формы в течение периода развития. Активность ферментов дегидрогеназы может быть связана с качеством семян и последующей силой ростков и обратно пропорциональна содержанию влаги в семенах (Khattra et al., 1993).
Иллюстрация изменений электропроводности и активности дегидрогеназы в развивающихся семенах цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis) (Gurusamy and Thiagarajan)
Активность фермента медленно увеличивается по мере созревания семян, достигая максимума через 56 дней после цветения (рис.).
Иллюстрация изменения содержания свободных сахаров и масла в семенах цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis) во время развития и созревания (Gurusamy и Thiagarajan)
Содержание масла неуклонно увеличивается вплоть до сбора урожая, тогда как начальное увеличение содержания сахаров резко падает через 4 недели после цветения (рис.)
Иллюстрация изменений свободных аминокислот и белка в семенах цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis) во время развития и созревания (Gurusamy and Thiagarajan)
Содержание белка и свободных аминокислот увеличивается линейно в первые 28 дней после цветения, а затем снижается (рис.).
Окрашивание образцов семян хлоридом 2,3,5-трифенилтетразолия, окрашивающимся в красный цвет при контакте с активно метаболизирующими тканями, обеспечивает дополнительные средства оценки качества семян и последующей потенциальной силы роста проростков (Burris et al., 1969).
Физиологическая зрелость
Длина и ширина созревающих стручков капусты увеличиваются по мере созревания, что совпадает с набуханием семян по мере накопления ими массы и запасающих соединений, а также по мере снижения содержания влаги.
Физиологическая зрелость достигается, когда семя достигает максимального сухого веса, и это знаменует собой конец фазы набухания семени (Шау и Лумис, 1950). У цветной капусты физиологическая зрелость совпадает со снижением влажности семян примерно до 40% через 4 недели после цветения.
Иллюстрация изменения содержания влаги и всхожести семян цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis) в процессе развития (Gurusamy and Thiagarajan)
Это может быть нормальной частью созревания (McIlrath et al., 1963) и зависит от среды, в которой растёт материнское растение, производящее семена (Sreeramulu et al., 1992). Способность к прорастанию начинается на 3-й неделе после цветения и затем неуклонно возрастает (рис.).
Точное время этих фаз зависит от конкретного вида капусты, его культурных сортов и условий, в которых выращиваются семенные культуры. Исследования брокколи сорта Waltham-29, форма с открытым опылением, показала, что она созревает быстрее, чем цветная капуста. Максимальная масса семян была достигнута через 42 дня после опыления.
Отделение семян от плаценты (фуникулуса) началось через 42-49 дней после опыления и совпало с резким снижением сырой массы. Содержание хлорофилла как в кожуре семян, так и в стручках снижается с 42 дня после опыления, а к 56 дню они приобретают рыжевато-коричневую и красновато-коричневую окраску соответственно. Это обычное явление для сухих плодов, таких как стручки, у которых высыхание совпадает с максимальным накоплением сухой массы. У горчицы, например, происходит полная потеря хлорофилла семенной оболочкой (теста) к 42 дню после опыления, в то время как у брокколи большинство стручков (силикв) сбрасывают (раскрываются) семена к 84 дню после опыления (Джетт и Вельбаум, 1996).
Зрелость семян не является абсолютной предпосылкой появления всходов. Зародыш капусты может прорастать в процессе развития (Bewley and Black, 1994; Baskin and Baskin, 1998). Прорастание цветной капусты может быть преждевременным. Скорость прорастания увеличивается по мере приближения семян к зрелости.
Максимальная скорость прорастания капусты (Brassica oleracea var. capitata) отмечена через 48 дней после опыления (Still and Bradford, 1994). Зрелым семенам требуется достаточное количество питательных веществ и других запасов для прорастания и активности после прорастания до тех пор, пока проросток не станет способным к самостоятельному росту. Как правило, скорость роста проростков и увеличение сухой массы коррелируют со зрелостью родительского семени (Ellis et al., 1987). Харрингтон (1972) предположил, что физиологическая зрелость семян определяется как стадия развития, на которой они достигают максимальной жизнеспособности и силы роста. В этот момент питательные вещества перестают поступать в семя от родительского растения и начинается старение.
Физиологическая зрелость является наиболее подходящим временем для сбора семян (Ellis et al., 1987). У цветной капусты период между 49 и 56 днями после цветения является точкой физиологической и уборочной зрелости. После этого происходит уменьшение массы и размеров семян и стручков, при этом начинается порча из-за окисления, высыхания и потери питательных веществ. Для сравнения, горчица (Sinapis alba L.) достигает физиологической зрелости через 60 дней после опыления (Fischer et al., 1988). Незрелые семена горчицы, собранные без сушки, прорастали уже через 14 дней после опыления, хотя устойчивость к высыханию достигалась только через 35 дней после опыления (Ahuja et al., 1981).
Генетический контроль развития семян
Паттерн физиологических событий в развитии семян следует идентифицируемым последовательностям экспрессии генов. Белки, углеводы и липиды накапливаются в семенах во время эмбриогенеза, что приводит к увеличению сухой массы. Фаза накопления заканчивается опадением семязачатка и характеризуется максимальной сухой массой. Во время эмбриогенеза одновременно экспрессируются более 20 000 различных генов (Goldberg et al., 1989), и существует ряд узнаваемых паттернов. Экспрессия продолжается после отделения семязачатка, контролируя синтез запасных соединений, подготовку к высыханию, предотвращение преждевременного прорастания и установление покоя. Предполагается, что программа экспрессии генов после опадения завершается до того, как может быть достигнута последующая максимальная энергия семян.
Размер семян и зрелость
У капусты определение зрелости семян затруднено из-за неопределенного роста и продолжительных периодов цветения материнских растений (Jett and Welbaum, 1996). Общее развитие соцветия продолжается в течение значительного времени как внутри отдельных кистей, так и между разными кистями. Процессы раскрытия цветка, опыления и оплодотворения требуют длительного периода времени, в результате чего плоды и семена созревают по очереди. Слишком ранний сбор урожая приводит к получению недоброкачественных, незрелых семян, в то время как запоздалый сбор приводит к возможной потере до 50% семян из-за раскрытия стручков. Семена высвобождаются, когда спелые плоды растрескиваются или «лопаются» (Dickson and Wallace, 1986).
При механическом сборе всей кисти семена, находящиеся на разных стадиях зрелости и различающиеся по жизнеспособности и силе роста, неизбежно смешиваются друг с другом. Зрелость семян связана с наличием регуляторов роста, в частности абсцизовой кислоты (АБК) (Still and Bradford, 1998). Это соединение угнетает прорастание в начале развития, стимулирует накопление запасов, вводит покой и определяет чувствительность прорастания к водному потенциалу семян.
Например, каждый стручок брокколи содержит от 10 до 30 семян, и все они находятся на разных стадиях зрелости. У некоторых видов капусты до трети углерода в развивающихся зародышах фиксировалось в результате фотосинтеза в стенках стручка. Однако неизвестно, равномерно ли поступают ассимиляты к развивающимся семяпочкам (Opena et al., 1988). Мало что известно о влиянии положения семян в стручке капуст и его последующем влиянии на силу роста. У таких культур, как соя (Glycine max (L.) Merr.) и стручковая фасоль (Phaseolus coccineus L.), семена, образующиеся на кончике стручка, то есть те, которые формируются первыми, тяжелее, чем семена, образующиеся на конце (образуется последним и находится ближе всего к кончику цветка). Как правило, оказывается, что если плоды содержат менее трёх семян, то их положение мало или совсем не влияет на последующую силу всходов. Если на плод приходится более пяти семян, то положение в стручке начинает существенно влиять на последующий размер семян и силу роста всходов.
Семена часто сортируются на коммерческой основе и продаются по размеру; более крупные семена считаются более сильными и имеют большую финансовую и агрономическую ценность по сравнению с более мелкими (Liou, 1987). Хорошо задокументировано влияние размера семян на всхожесть, рост и урожайность многих овощей (McDonald, 1975). Например, у брокколи размер семян положительно коррелирует со скоростью роста всходов. Сухая масса ростков, приживаемость и конечная урожайность улучшаются за счёт использования более крупных и потенциально более сильных семян (Heather and Sieczka, 1991). Трудно установить общие правила, касающиеся энергии семян и всходов. Например, не обнаружено различий в скорости прорастания крупных семян капусты по сравнению с мелкими (Jett, Welbaum, 1996).
Зрелость не является абсолютной предпосылкой для всхожести; зародыш может прорастать во время развития (Bewley and Black, 1994). При изучении цветной капусты было обнаружено, что прорастание происходит преждевременно. Однако способность к прорастанию и его скорость увеличивались по мере созревания семян. Важно отметить, что зрелые семена содержат достаточное количество питательных веществ и других запасов для поддержки прорастания и роста после прорастания.
Качество семян
Семя, достигшее максимальной жизнеспособности и силы, является физиологически зрелым, после чего начинается его порча (Powell and Matthews, 1984). В идеале семена следует собирать, когда они достигли физиологической зрелости и ещё не начали портиться. Достижение наибольшей сухой массы обычно коррелирует с оптимальной зрелостью и качеством, количественно определяемым максимальной всхожестью в контролируемых тестах. Это состояние может не коррелировать с максимальной силой роста проростков в полевых условиях. Для производителей капусты разница между способностью к прорастанию и энергией всходов имеет решающее значение. Семена очень дороги и составляют значительную часть переменных затрат на выращивание каждой культуры. Затраты на размножение избыточных растений, когда продавец семян ошибочно занижает оценку жизнеспособности, ложатся значительным финансовым бременем на производителя.
Простое выражение качества семян через показатели всхожести и чистоты не отражает потенциальных полевых показателей и рентабельности продукции одного семенного хозяйства по сравнению с другим. Как следствие, были предприняты попытки провести лабораторные тесты, которые количественно определят будущую потенциальную силу рассады в поле и переводят её в «пригодные для использования растения».
Энергия семян
Энергия семян может быть определена как «сумма свойств семян, которые определяют их потенциальную активность и характеристики во время прорастания и появления всходов» (Perry, 1978). Семена подвергаются в различной степени водному и температурному стрессу во время их развития, созревания, сбора и хранения в процессе образования семян, а затем повторно во время регидратации и прорастания после посева. Те, у которых высокая энергия, способны к быстрому прорастанию и созданию здоровых всходов, что приводит к эффективному производству сельскохозяйственных культур.
Растения реагируют на стрессы окружающей среды, образуя ряд специфических белков. К ним относятся белки теплового шока (HSP) и белки позднего эмбриогенеза (LEA) (Bettey and Finch-Savage, 1998). Эти белки также образуются при отсутствии внешнего стресса как часть нормальных процессов развития. Они обнаруживаются на определенных стадиях цикла роста, особенно во время обезвоживания, например, при формировании пыльцы и семян. HSP предотвращают агрегацию белков и, действуя как молекулярные шапероны, обеспечивают правильное сворачивание белков. Белки позднего эмбриогенеза имеют консервативные элементы, существующие в виде амфифильных α-спиралей, которые могут быть связаны с защитой от высыхания.
Оба типа белка увеличиваются на более поздних стадиях развития семян, когда энергия семян также увеличивается. Следовательно, может быть положительная прямая корреляция между возникновением этих двух характеристик. Ещё предстоит установить, влияет ли содержание стрессового белка непосредственно на силу семян. Этот вопрос был исследован с партиями Brassica oleracea L. var. capitata сорт Бартоло (гибрид белокочанной капусты F1) с использованием партий семян, выращенных в разные годы, представляющих собой продукт взаимодействия с рядом условий внешней среды и обладающих высокими показателями жизнеспособности. Следовательно, любые различия между ними будут касаться способности противостоять стрессовым условиям.
Считается, что HSP17.6 способствует продуктивности семян капусты в стрессовых условиях и, следовательно, является важным компонентом энергии. Семена подвергали процессу «быстрого старения» (42 °С, 10 дней, влажность 10%). HSP17.6 не пострадал, и семена с самыми высокими концентрациями были лучше способны противостоять последующим стрессам.
Поскольку энергия является результатом комбинации признаков, партии семян с высокой энергией по сравнению с другими, как определено одним набором тестов, могут иметь более низкую энергию, когда они тестируются с использованием другого набора условий окружающей среды. Таким образом, измерение одной характеристики не даёт надёжной оценки силы роста семян. Комбинация тестов имеет важное значение для надёжного прогнозирования силы всходов.
Примеры испытаний на всхожесть и жизнеспособность
Стандартные тесты на всхожесть
Стандартные тесты на всхожесть выполняются в соответствии с международно признанными правилами, установленными Международной ассоциацией тестирования семян (ISTA), с использованием предписанных температурных режимов. Примеры режимов могут быть либо непрерывными при 20 °C, либо чередующимися при 20/30 °C в темное и светлое время суток. Режимы освещения также стандартизированы. Появление корешков регистрируют ежедневно в течение первых 5 дней инкубации, а подсчёт нормальных и аномальных проростков проводят через 10 дней аналитики семян с соответствующей квалификацией.
Испытание на контролируемый износ
Содержание влаги в семенах доводят до 24%, их запечатывают в ламинированные пакеты из полиэтилена и алюминиевой фольги и выдерживают при температуре 1 °C в течение ночи, позволяя влаге уравновеситься во всём образце семян. Запечатанные пакеты затем помещают в водяную баню при 45 °C на 24 часа (Matthews and Powell, 1987). Затем проводят стандартный тест на всхожесть при 20 °С и подсчитывают нормальные проростки.
Измерение содержания хлорофилла в семенах было предложено как средство определения зрелости и качества семян (Джалинк и др., 1999). Молекулы хлорофилла излучают флуоресценцию; измерение интенсивности флюоресценции предоставляет физиологам растений очень мощный инструмент при изучении реакции на стресс окружающей среды (Maxwell and Johnson, 2000). Закономерности распределения энергии в партиях некачественных семян белокочанной капусты (Brassica oleracea var. capitata) были проанализированы Dell’aquilla et al. (2002). Это позволило идентифицировать жизнеспособные и испорченные партии семян в электронном виде и автоматически отделить их. Качество семян контролируется несколькими генами; исследования семян Arabidopsis thaliana, подвергнутых контролируемой порче, начинают раскрывать механизмы, с помощью которых проявляется этот признак, и средства, с помощью которых его можно улучшить (Tesnier et al. , 2002).
Определение Ki
Семена доводят до содержания влаги 18%, запечатывают в пакеты из ламинированной полиэтиленовой и алюминиевой фольги и выдерживают при 1 °C в течение 3 дней, позволяя влаге уравновеситься по всему образцу. Пакеты помещают в камеру для проращивания при 40 °С и ежедневно в течение 10 дней отбирают образцы для проведения стандартного теста на прорастание при 20 °С. Испытание на всхожесть также проводят сразу после уравновешивания влажности (Эллис и Робертс, 1981).
Аварийные испытания
Лотки наполняют товарным компостом, в каждый засевают 100 семян на глубину 40 мм и покрывают стандартной массой компоста. Последующие сеянцы выращивают либо в условиях окружающей среды, при стандартных температурах, например 20 °С, либо при повышенной температуре, например 30 °С. Появившиеся всходы удаляют и ежедневно подсчитывают. Температурные профили контролируются термисторами, вставленными непосредственно в компост.
Чистота семян
Контроль чистоты семян важен для всех культур, но особенно важен для капустных, где однородность стеблестоя имеет важное значение для будущей прибыльности урожая. Обнаружение и устранение сиблингов имеет особое значение, когда гибриды F1 используются в качестве культурных сортов, как и в случае с большинством культур Brassica. Проблема сиблингов возникает из-за того, что Brassica oleracea обладает одним локусом, мультиаллельной системой спорофитной несовместимости. Селекционеры обычно поддерживают свои линии опылением завязей. Однако все аллели несовместимости не одинаково эффективны, и в инбредных линиях, гомозиготных по S-аллелю, может происходить различное количество самооплодотворения. Кроме того, реакция несовместимости может быть ослаблена факторами окружающей среды, а на соотношение самоопыления и скрещивания может влиять поведение насекомых-опылителей и наличие чужеродной пыльцы (Wills et al., 1979).
Родственные растения в лучшем случае гораздо менее продуктивны для производителя, чем гибридный сорт, и представляют собой неудачу семеноводческой компании. Устранение достигается путём тестирования гибридных популяций или путём получения сложных гибридов с несколькими родителями, в которых любые сиблинги также могут быть продуктивными. Это не всегда возможно и увеличивает стоимость и сложность программы разведения. Контроль качества, как правило, достигается путём отбора гибридных популяций в виде семян, семядолей или листьев с последующим визуальным осмотром или биохимическим тестированием, например с использованием изоферментных маркеров. Визуальный осмотр не является удовлетворительным, так как морфологические различия могут потребовать длительного периода времени, в течение которого они проявляются. Изоферментные исследования считаются быстрыми, простыми и точными, но опять же не всегда могут быть применимы, поскольку высокий уровень инбридинга в родительских линиях гибридного сорта означает, что они могут экспрессировать сходные изоферментные полосы. Использование ДНК-зондов может обойти эту проблему. Анализ изображений также предлагает дополнительное решение.
Преимущество анализа изображений заключается в том, что он неинвазивен, открыт для автоматизации и становится все более интерактивным и удобным для пользователя. Исследования показали, что использование анализа изображений с семядолями или ранними взрослыми листьями даёт более точную оценку количества сиблингов по сравнению с изоферментным анализом. Развитие анализа изображений предлагает производителям семян возможности для значительного улучшения контроля качества. Обнаружение сиблингов и оценка энергии могут быть сделаны на основе среднего размера семян и дисперсии популяции. Анализ изображения также можно применять для мониторинга набухания и расширения семян, тем самым создавая автоматизированные критически важные системы контроля качества на ранних стадиях развития семян. Делл’Акуилла (2003) определил анализ изображения площади семян как полезный маркер для изучения силы роста и последствий ухудшения состояния и солевого стресса. Коммерческая разработка требует совершенствования методов анализа изображений, последующего статистического анализа, большей точности в выборе биологических параметров для анализа (семенная часть или орган/ткань развивающегося проростка) и улучшенных удобных компьютеризированных интерфейсов.
Улучшение качества семян
«Улучшение качества семян» — это промышленный термин, возникший в семеноводческой отрасли, который недавно получил научное применение и охватывает полезные методы, применяемые к семенам в период между сбором урожая и посевом. Цель состоит в том, чтобы улучшить всхожесть и рост рассады, а также повысить эффективность доставки семян и сопутствующих материалов во время посева. Улучшение охватывает три области: предпосевное увлажнение (грунтование), покрытие семян и кондиционирование семян.
Подготовка семян
Семена требуют воды, кислорода и подходящей температуры для прорастания. Поглощение воды проходит по трёхфазной схеме:
- фаза 1: начальное быстрое поглощение или впитывание;
- фаза 2: лаг-период;
- фаза 3: второе увеличение поглощения воды, связанное с ростом проростков.
Семена устойчивы к высыханию во время фаз 1 и 2, но часто не переносят его в фазе 3 (Taylor et al., 1998).
Водопоглощение может быть как неконтролируемым, так и регулируемым. В первом случае вода находится в свободном доступе и не ограничена окружающей средой. Семена можно замочить или положить на влажные салфетки. Замачивание может включать полное погружение семян в воду с искусственной аэрацией или без нее. При условии, что семена жизнеспособны и не находятся в состоянии покоя, с достаточным доступом кислорода и подходящей температурой, прорастание продолжится. Процесс останавливается в определенное время, тормозя наступление фазы 3.
Однородность посевных площадей либо из культур, засеянных прямым посевом, либо из семян, посеянных в модули, повышает конечную однородность роста культур и концентрирует сбор урожая в более короткие периоды времени, повышая эффективность и снижая затраты. Там, где крестоцветные выращивают при температурах ниже или выше оптимальных для прорастания и укоренения, культуры прямого посева, как правило, высевают с высокой скоростью, что приводит к необходимости последующего прореживания для достижения эффективной конечной плотности насаждений. В качестве альтернативы можно использовать метод прайминга (подготовки).
Прайминг представляет собой контролируемый процесс гидратации с последующей повторной сушкой, которая позволяет начать метаболическую активность прорастания, но не достичь стадии появления корешков. Праймирование с использованием полиэтиленгликоля (ПЭГ) увеличивало скорость прорастания более мелких семян по сравнению с более крупными. Когда семена регидратируют после прайминга, скорость прорастания увеличивается, а в некоторых случаях может быть расширен диапазон температур для продолжения прорастания. Доступны две формы подготовки: осмотическая или матричная. В первом случае семена инкубируют либо в растворах неорганических солей, таких как нитрат калия, хлорид натрия или фосфат калия, либо в высокомолекулярных непроникающих растворах, таких как ПЭГ, при водном потенциале, который достаточно низок, чтобы ингибировать прорастание.
Этот метод был успешно применен к нескольким овощным культурам капусты. В частности, это увеличивает энергию рассады в холодных, влажных почвах. Матричная подготовка использует увлажненные твёрдые носители, такие как глинистый минерал, вермикулит или силикат кальция, для гидратации семян. Семена некоторых овощных культур, обработанные матриксом, прорастают быстрее, чем осмотически обработанные.
Для достижения осмотического прайминга семена помещают на два слоя фильтровальной бумаги, пропитанной праймером, и закупоривают в ёмкостях, например чашках Петри, до 7 сут в темноте. Для матричного грунтования воду и силикат кальция тщательно смешивают и помещают в герметичную ёмкость на 24 ч перед добавлением семян. Контейнеры переворачивают каждые 12 ч для обеспечения равномерного перемешивания носителя и посевного материала в течение 7 сут. После обработки любым методом семена промывают в течение 2 мин водопроводной водой для удаления либо осмотика, либо твёрдых носителей, ополаскивают в дистиллированной воде и удаляют свободную влагу. Затем семена сушат нагнетаемым воздухом при 37 °С в течение 2 мин и, наконец, доводят до содержания влаги 5-6% в пересчете на сухую массу, помещая на силикагель в эксикатор. Затем семена можно покрыть тирамом (дисульфидом тетраметилтиурама) или другими разрешенными фунгицидами и инсектицидами и запечатать в пакеты из оловянной фольги или поместить в стеклянные или пластиковые бутылки при температуре 4 °C.
Аэрируемая гидратация в течение периода до 24 часов при 20 °C использовалась Mehra et al. (2003) в качестве дополнения к праймингу ПЭГ для семян Brassica juncea и Brassica rapa. Выявлено повышение устойчивости к водному и солевому стрессу у Brassica juncea и расширение диапазона температур для успешного прорастания Brassica rapa при использовании аэрируемого увлажнения.
Улучшение предсказания жизнеспособности и силы роста семян в зависимости от стадии развития стручка имеет большое коммерческое значение. Семена, взятые из нескольких частей стручков брокколи (Brassica oleracea var. italica) в разное время после опыления, были высушены и загрунтованы Jett and Welbaum (1996). Быстрая сушка повышала жизнеспособность семян, собранных между 35 и 42 днями после опыления. Крупные семена не прорастали быстрее, чем мелкие, но давали всходы с большей сухой массой. Прайминг увеличивал процент всхожести семян, собранных через 42 дня после опыления. Всхожесть семян, собранных до 42 дней после опыления, также улучшалась за счёт прайминга. Это позволяет преодолеть различия между зрелыми и незрелыми семенами и может предложить средства для уменьшения вариаций внутри партий механически собранных семян.
Покрытие семян
Семена сильно различаются по размеру, форме и цвету. Многие семена мелкие и неравномерные, что затрудняет их разделение и точное размещение в поле. Кроме того, семена требуют защиты от вредителей и патогенов. Покрытие семян используется для механического посева по точной схеме. Это обеспечивает равномерность расположения растений и обеспечивает носители средств защиты растений. Семена могут быть как дражированными (таблетированными), так и покрытыми плёнкой. Таблетирование определяется как осаждение слоя инертного материала, который преобразует первоначальную форму и размер семян. Форма изменена на сферическую с увеличенным весом и улучшенными возможностями для точного размещения. Пленочное покрытие сохраняет первоначальную форму и размер семени при минимальном увеличении веса. Поскольку семена капусты от природы имеют сферическую форму, чаще используется пленочное покрытие. Покрытия могут содержать полимеры, пестициды, биологические агенты, такие как бактерии, цветные маркеры или красители и другие добавки.
Кондиционирование семян
Собранные семена редко бывают чистыми и содержат нежелательные материалы, в том числе семена низкого качества, которые необходимо удалить. Кондиционирование преследует две цели:
- удаление загрязнителей, таких как семена других сельскохозяйственных культур или сорняков и инертные материалы, в результате чего получаются чистые образцы желаемого сорта;
- устранение семян низкого качества, которые могут быть незрелыми, поврежденными или иметь нежелательный размер.
Кондиционирование обычно осуществляется с помощью ряда автоматизированных стадий сортировки, контролируемых микропроцессорами. Дальнейшее улучшение достигается за счёт использования конкретных физических характеристик, таких как цвет семян. Сортировка по цвету значительно улучшилась за последние пару десятилетий с использованием оптических систем, микропроцессоров и систем обнаружения.
Были разработаны сортировщики цвета, которые воспринимают свет на 360°. Детекторы света, которые также могут количественно определять коэффициент отражения в ультрафиолетовом (УФ), ближнем инфракрасном (БИК) и флуоресцентном диапазоне длин волн, расширили возможности цветных сортировщиков. В настоящее время к этим системам добавляются ультразвуковые технологии, предоставляющие сортировщики, которые могут различать семена по размеру, форме, текстуре, цвету, блеску, массе, твёрдости и механическим повреждениям. В конечном счете, такие системы будут определять наличие больных семян до того, как симптомы проявятся визуально. Было продемонстрировано, что в то время как пиковое значение ультразвуковых волн уменьшалось, значения наклона и ширины полосы увеличивались там, где семена были поражены патогеном.
Улучшение семян предлагает системы для обнаружения и удаления семян низкого качества из больших партий. Предпосевное увлажнение повышает содержание влаги в семенах и активирует клеточные функции. Целостность клеточной мембраны можно оценить косвенно путём измерения утечки растворённых веществ. Покрытия семян предлагают системы, которые удерживают соединения в непосредственной близости от отдельных семян, а сортировка по цвету отделяет семена высокого и низкого качества. Последовательно применяются предпосевная гидратация, покрытие семян и кондиционирование для повышения качества партии семян капустных культур.
Предполагаемая система повышения качества может быть разработана для семян Brassica на основе присутствия синапина (Lee et al., 1997). Этот флуоресцентный алкалоид образуется естественным образом во время развития семян Brassica, он имеет жёлтый цвет при высоком щелочном pH (> 10) и выделяется из нежизнеспособных, но не из жизнеспособных семян во время прорастания. Измерение утечки синапина из семян Brassica оказалось более точным для прогнозирования успешности прорастания, чем тесты на проводимость электролитов. Тесты отдельных семян на утечку синапина могут служить основой для контроля качества партий семян Brassica. Сначала семена увлажняют путём замачивания в воде на 4 часа или замачивают в растворах ПЭГ на 24 часа. Утечка синапина была наибольшей из нежизнеспособных семян. Затем свежеувлажнённые семена покрывают наполнителем, содержащим целлюлозу тонкого помола. Это действует как адсорбент, улавливая синапиновый фильтрат в покрытии. Покрытые оболочкой семена сушат и под действием УФ-излучения сортируют на нефлуоресцентные и флуоресцентные. Кондиционирование семян улучшало всхожесть капусты (Brassica oleracea var. capitata), брокколи (Brassica oleracea var. italica) и цветной капусты (Brassica oleracea var. botrytis). Определение утечки синапина рекомендуется Devi et al. (2003) в качестве средства определения процента всхожести и последующего появления всходов в поле вместо использования измерений электропроводности семян горчицы (Brassica juncea).
Эффективность улучшения партий семян за счёт использования утечки синапина снижается, если семенная оболочка ограничивает утечку у нежизнеспособных семян. Нежизнеспособные семена не обнаруживались, что приводило к ложноотрицательным результатам, когда утечка растворённого вещества не могла диффундировать через семенную оболочку в целлюлозу. Содержание кутина в семенной оболочке может влиять на проницаемость, замедляя диффузию синапина. Замачивание семян в разбавленном растворе гипохлорита натрия (NaClO) усилило утечку.
Прорастание семян при низких температурах можно предсказать с помощью моделей теплового времени. У брокколи (Brassica oleracea L. var. italica), например, грунтовка снизила среднее термическое время до прорастания, но мало повлияла на минимальную температуру, необходимую для фактического прорастания. Загрунтованные семена прорастали быстрее из-за более низкой потребности в тепловом времени. Прайминг способствовал более быстрому прорастанию на единицу теплового времени по сравнению с незагрунтованными семенами, но не снижал минимальную температуру для прорастания.
Подобные эффекты обнаруживаются у томатов (Lycopersicon esculentum Mill.) и лука (Allium cepa L.), которые не нуждаются в периоде покоя, и, следовательно, минимальная температура для прорастания контролируется генетически, демонстрируя незначительные различия в пределах конкретного вида. Когда прайминг снижает минимальную температуру для прорастания, это реакция на замену прайминга на дозревание, как у мускусной дыни (Cucumis melo L.), преодоление некоторой части потребности в состоянии покоя и расширение диапазона температур для прорастания.
Рост корней более чувствителен к изменениям выше и ниже оптимальной температуры роста по сравнению с появлением корешков. Следовательно, плохие посевы культур прямого высева могут быть связаны с отсутствием роста корней, а не с нарушением роста корешков. Матрично загрунтованное семя прорастает быстрее, чем осмотически загрунтованное. Было отмечено, что содержание кальция в матрично загрунтованных семенах увеличивает развитие (Jett et al., 1996).
Прорастание
Изучение клеточных и молекулярных событий при прорастании семян даёт информацию о процессах, которые активируются в клеточном ядре при переходе из покоящегося состояния в активное. При впитывании начальными событиями являются синтез ДНК, РНК и белка (Bewley and Black, 1994). Основным компонентом раннего синтеза ДНК является процесс репарации ДНК, который происходит в первые часы прорастания (Osborne, 1983). Синтез как РНК, так и белка был продемонстрирован в семенах лука-порея (Allium porrum) с более высокой скоростью прорастания праймированных семян по сравнению с необработанными контрольными семенами, в то время как скорость синтеза положительно коррелировала с силой роста семян (Bray et al., 1989). Исследование Brassica oleracea var. capitata сорта Бартоло (белокочанная капуста) показало, что репликация ДНК не является необходимым условием для протрузии корешка и начального роста в виде вытягивания. Зародыш капусты достаточно дифференцирован в сухих, покоящихся семенах, чтобы произвести проросток без дальнейшей репликации ДНК или деления клеток после набухания. Однако дальнейшее развитие проростков, включая рост корней и образование корневых волосков, по-видимому, зависит от репликации ДНК.
Процессы репликации ДНК и накопления β-тубулина, необходимого для развития цитоскелета, представляют собой два параллельных, но независимых процесса при прорастании семян (Горник и др., 1997). Дыхание быстро увеличивается во время набухания, что соответствует развитию митохондриальной активности. Поглощение кислорода коррелирует со скоростью прорастания, ростом проростков, появлением всходов в поле и, в конечном счете, с урожайностью. У белокочанной капусты сорта Bartolo (Brassica oleracea var. capitata), потребление кислорода увеличивается при набухании и при прорастании (Bettey and Finch Savage, 1996). Эти изменения отражали усиление окисления запасов углеводов через дыхательные пути. Относительные различия в активности ключевых ферментов в этих путях коррелировали со скоростью прорастания (T50 = время до 50% прорастания), где были большие различия в энергии семян. Ферментативная активность приравнивается к различиям в потоке через гликолиз, когда партии семян существенно различаются по силе роста, однако они не являются равными энергии семян.
Покой семян
Некоторые виды капусты находятся в состоянии послеуборочного покоя; хотя считается, что покой имеет очень ограниченную продолжительность, он может варьироваться по времени от 0 до 140 дней в зависимости от рассматриваемого генотипа. Хранение при относительной влажности 10-70% способствовало выходу из состояния покоя (Watanabe, 1953; Tokumasu et al., 1975). И наоборот, Open et al. (1988) выводили из состояния покоя коротким периодом сухого хранения.
У брокколи (Brassica oleracea var. italica) (Jett and Welbaum, 1996) всхожесть впервые проявилась у 10% свежих (невысушенных) семян через 28 дней после опыления. Процент всхожести увеличивался на 42-56 день после опыления, когда прорастали практически все свежие семена. Подсыхание семян увеличивало всхожесть на 42-й день после опыления. Было высказано предположение, что у некоторых видов обезвоживание привело к переключению, изменив экспрессию генов с программы развития на программу зародыша. В брокколи этого не произошло, поскольку обезвоживание не было необходимым условием для прорастания.
Литература
- Dixon, Geoffrey R. Vegetable brassicas and related crucifers. Centre for Horticulture and Landscape, School of Biological Sciences, University of Reading, UK.. 2006