Эмбриологические особенности системы семенной репродукции факультативно апомиктичных злаков 03. 00. 05 ботаника

Примечание: *В проведении цитоэмбриологического анализа данных видообразцов принимали участие сотрудники кафедры генетики Саратовского госуниверситета. Результаты этих исследований частично представлены в следующих работах: ¹Шишкинская, Ларина, 1982; ²Шишкинская и др., 1994; ³Шишкинская, Юдакова, 2001. ** П – половой; ФА – факультативно апомиктичный.

половые популяции апомиктичные популяции

1 – Agropyron desertorum; 2 – A. pectiniforme; 3 – Agrostis clavata; 4 – A. scabra; 5 – Alopecurus pratensis; 6 – A. pratensis; 7 – Beckmannia eruciformis; 8 – B. syzigachne; 9 – Bromopsis pumpelliana; 10 – Bromus japonicus; 11 – B. squarrosus; 12, 13 – Calamagrostis langsdorfii; 14 – Colpodium humile; 15 – Dactylis glomerata; 16 – Digitaria sanguinalis; 17, 18 – Elymus caninus; 19 – E. jacutensis; 20-22 – E. mutabilis; 23 – Elytrigia intermedia; 24 – E. lolioides; 25 – Festuca rubra; 26 – Glyceria lithuanica; 27 – Leymus mollis; 28-30 – Melica nutans; 31 – Milium effusum; 32 – Phalaroides arundinacea; 33 – Phleum alpinum; 34 – Ph. phleoides; 35 –Ph. pratense; 36-39 – Poa annua; 40 – Setaria verticillata; 41 – S. viridis; 42 – Trisetum sibiricum; 43 – Agrostis alba; 44, 45 – Hierochloë glabra; 46-49 – Festuca rubra; 50, 51 – F. valesiaca; 52 – Koeleria cristata; 53-59 – Poa angustifolia; 60 – P. compressa; 61 – P. glauca; 62 – P. macrocalyx; 63 – P. malacantha; 64, 65 – P. nemoralis; 66-68 – P. pratensis; 69 – P. radula; 70 – P. sublanata

Подавляющее большинство половых популяций характеризовались полным отсутствием аномалий в строении зародышевых мешков. Только у четырех видообразцов, которые были включены нами в список амфимиктов на основании регистрации двойного оплодотворения в подавляющем большинстве семязачатков, зарегистрировано формирование мегагаметофитов с яйцеклеткоподобными синергидами (Alopecurus pratensis – 0,7%; Melica nutans – 0,6%; Phleum alpinum – 4,3%; Poa annua – 1,7%), и дополнительными полярными ядрами (Ph. alpinum – 1,7%). Высокий уровень полигаметии у этих видов может быть обусловлен предрасположенностью к апомиксису. В связи с чем, они представляют интерес как объекты для дальнейшего исследования вопросов, связанных с апогаметией, полиэмбрионией и редуцированным партеногенезом (гаплоидией).

Процесс оплодотворения во всех популяциях протекал типично. Слияние полярных ядер до оплодотворения и образование центрального ядра зародышевого мешка отмечено только у Leymus mollis и Elymus jacutensis. Для остальных популяций было характерно тройное слияние. Развитие зародыша соответствовало типу Graminad. Зигота приступала к делению, когда в эндосперме насчитывалось 8 ядер, далее количество клеток проэмбрио увеличивалось в арифметической прогрессии, а число ядер эндосперма – в геометрической. Темпы самых ранних этапов эмбрио- и эндоспермогенеза были строго скоординированы и определенному числу клеток в проэмбрио (2, 3, 4…) всегда соответствовало определенное количество ядер в эндосперме (16, 32, 64...). Соотношение числа ядер эндосперма и количества клеток проэмбрио на ранних стадиях развития можно выразить следующей формулой:
N_e = 2^(Np+2) ,

где N_e – число ядер эндосперма, N_p – количество клеток проэмбрио.

Результаты проведенного анализа позволяют констатировать, что у растений половых популяций злаков все эмбриологические процессы протекают в строгом соответствии с заданной программой развития. Сбои в этой программе происходят крайне редко, что выражается в практически полном отсутствии гаметофитных аномалий и нарушений постсингамных процессов.

2. 
   Популяции растений с эмбриологическими признаками апомиксиса
   

Факультативный апомиксис установлен у растений 33 популяций 18 видов (см. таблицу). Все выявленные апомиктичные популяции принадлежат к высокополиплоидным видам (2n≥42), тогда как половые популяции чаще всего относятся к видам, которым свойственны низкие числа хромосом, близкие к анцестральному (первичному) числу (х=7) (Хромосомные числа…, 1969; Пробатова, 2007). В отличие от половых форм, характеризующихся не только широким видовым, но и родовым разнообразием, апомиктичные популяции относятся лишь к 5 родам: Agrostis, Festuca, Hierochloë, Koeleria и Poa. Принадлежность подавляющего большинства выявленных апомиктичных видов к родам Festuca, Hierochloё и Poa не случайна. Как известно, апомиктичный способ репродукции обычно приурочен к крупным полиморфным родам (Gustafsson, 1946-1947; Хохлов, 1970) и тесно связан с полиплоидией и гибридизацией (Rosenberg, 1917; Stebbins, 1941; Gustafsson, 1946-1947; Хохлов, 1966; Wet de, 1971; Nogler, 1984; Asker, Jerling, 1992 и др.).

1. 
   Качество пыльцы растений апомиктичных популяций злаков
   

Средняя степень дефектности пыльцы растений апомиктичных популяций варьировала от 15% у Festuca valesiaca до более чем 90% у Poa glauca и Hierochloë glabra (рис. 2). Очень низкое качество пыльцы у растений ряда апомиктичных популяций было обусловлено не только характерными для апомиктов нарушениями процесса микроспорогенеза, но и поздним сроком фиксации. Как и у половых популяций, у апомиктичных средняя СДП превышала 50% обычно в тех случаях, когда растения находились на ранних стадиях эндоспермогенеза. По показателю «качество пыльцы» половые и апомиктичные популяции различались только при условии правильного выбора времени фиксации материала: на начальной стадии открытого цветения. Однако, как отмечалось в предыдущем разделе, даже при своевременной фиксации, вследствие полиплоидии или перехода на вегетативное размножение, растения половых популяций могли иметь высокие значения СДП, превышающие таковые апомиктов.

Таким образом, действие целого ряда факторов может стереть грань между качеством пыльцы растений половых и апомиктичных популяций, осложняя диагностику способа репродукции. В то же время при совпадении количественных показателей СДП у половых и апомиктичных популяций, морфометрические характеристики пыльцы всегда были разными. Выявленная у апомиктичных мятликов вариабельность диаметра пыльцы в пределах одного пыльника оказалась универсальным признаком, характерным для всех без исключения апомиктичных злаков. В отличие от апомиктов у половых видов пыльца всегда была однородна по размеру.

Учитывая вышесказанное, в качестве основного критерия при диагностике апомиксиса антморфологическим методом вместо количественной оценки степени дефектности пыльцы целесообразнее использовать визуальный признак «морфологическая неоднородность пыльцы» (Шишкинская, Юдакова, 2003). Это значительно сокращает и упрощает анализ.

2. 
   Особенности развития женской генеративной сферы
   

В отличие от F. gigantea, растения видообразцов F. valesiaca и F. rubra характеризовались разной частотой формирования множественных зародышевых мешков. В популяциях F. rubra количество семязачатков с двумя и более зародышевыми мешками варьировало от 0,3 до 30,7%, а у F. valesiaca – от 11,0 до 70,1%. Образование множественных мегагаметофитов является эмбриологическим признаком, указывающим на возможность апоархеспории. Данный тип развития нередуцированных зародышевых мешков у F. valesiaca и F. rubra был подтвержден результатами анализа ранних стадий мегагаметофитогенеза у растений популяций этих видов из Нижнего Поволжья.

У F. valesiaca рядом с материнскими клетками мегаспор, а так же одноядерными зародышевыми мешками были обнаружены клетки, морфология которых сильно отличалась от соматических клеток семязачатка. Они в несколько раз превосходили по размеру клетки нуцеллуса, содержали крупное ядро и густую цитоплазму. Именно такие клетки являются инициальными клетками апоархеспорических зародышевых мешков. У F. rubra рядом с тетрадой мегаспор располагались один или несколько (до четырех) апоархеспорических зародышевых мешков.

У всех видообразцов овсяниц значительная часть женских гаметофитов (от 5,7 до 38,8%) имела нетипичное строение. На ценоцитной стадии встречались зародышевые мешки с аномальным количеством ядер и нарушенной поляризацией, а в зрелых семязачатках – мегагаметофиты с яйцеклеткоподобными синергидами, недифференцированным яйцевым аппаратом и дополнительными полярными ядрами. Кроме того, во многих зрелых неоплодотворенных зародышевых мешках синергиды отсутствовали или имели признаки дегенерации.

В зрелых зародышевых мешках без следов проникновения пыльцевых трубок встречались крупные «зиготоподобные» яйцеклетки, в которых ядро занимало центральное положение, а микропилярная вакуоль отсутствовала. Развитие эндосперма практически всегда опережало развитие зародыша, и только у F. rubra в одном из зародышевых мешков был обнаружен партеногенетический проэмбрио при интактных полярных ядрах. Наиболее весомым доказательством в пользу наличия апомиксиса у изученных видообразцов рода Festuca могут служить случаи развития проэмбрио и ядерного эндосперма в мегагаметофитах без следов проникновения пыльцевых трубок и с интактными синергидами. Вместе с тем, у всех видообразцов зарегистрированы зародышевые мешки в момент оплодотворения яйцеклетки и полярных ядер, а также мегагаметофиты с зиготой и ядерным эндоспермом. Осуществление двойного оплодотворения в части зародышевых мешков указывает на факультативный характер апомиксиса.

Среди изученных 12 видов рода Poa апомиксис был зарегистрирован в популяциях 10 видов: P. angustifolia, P. bulbosa, P. compressa, P. glauca, P. macrocalyx, P. malacantha, P. nemoralis, P. pratensis, P. radula, P. sublanata. Практически все видообразцы мятликов, за исключением P. nemoralis, характеризовались апоархеспорией. Заложение инициалей апоархеспорических мегагаметофитов происходило на стадии тетрады мегаспор. Самая высокая частота встречаемости множественных зародышевых мешков (60%) зарегистрирована у P. sublanata.У растений популяции P. macrocalyx, также как у видообразцов мятликов P. chaixii и P. pratensis из коллекции Ботанического сада Саратовского госуниверситета, были обнаружены случаи образования дополнительных зародышевых мешков внутри антиподальных комплексов.

У P. nemoralis в семязачатках всегда формировался лишь один женский гаметофит. Ранее у мятлика лесного была описана диплоспория (Nygren, 1954; Кордюм, 1970; Naumova et al., 1999). Этот тип формирования нередуцированных зародышевых мешков присущ и изученным нами видообразцам, о чем свидетельствует анализ ранних стадий мегагаметофитогенеза.

Независимо от способа развития зародышевого мешка у растений всех исследованных популяций мятликов отмечен преждевременный эмбриогенез. Партеногенетическое развитие яйцеклетки начиналось до проникновения в зародышевый мешок пыльцевой трубки. В результате подавляющее большинство женских гаметофитов к моменту опыления содержали проэмбрио при неслившихся полярных ядрах. Как правило, развитие зародыша у мятликов проходило в соответствии с типом Graminad. В то же время у P. glauca, P. macrocalyx и P. pratensis встречались проэмбрио с нетипичным положением

межклеточных перегородок и нарушенной последовательностью клеточных делений.

Присутствие ядерного эндосперма только в зародышевых мешках со следами проникновения пыльцевых трубок и наблюдаемые картины оплодотворения полярных ядер в мегагаметофитах с автономным проэмбрио говорят о том, что у мятликов имеет место псевдогамия. Оплодотворение центральной клетки происходило с участием разного количества полярных ядер и спермиев.

На факультативный характер апомиксиса у мятликов указывают зарегистрированные случаи двойного оплодотворения. В отличие от апомиктичных представителей рода Festuca, мегагаметофиты с зиготами были единичными, и в популяциях всегда доминировали зародышевые мешки с партеногенетическим проэмбрио.
Частота формирования женских гаметофитов с различными структурными отклонениями варьировала у разных видообразцов мятликов от 1,2 (P. glauca) до 20,9% (P. compressa). Среди аномальных зародышевых мешков преобладали гаметофиты с дополнительными полярными ядрами и яйцеклеткоподобными синергидами. Практически во всех популяциях отмечено развитие нескольких (чаще двух) проэмбрио в одном зародышевом мешке. У растений видообразцов, зафиксированых на стадии мегагаметофитогенеза (P. angustifolia, P. macrocalyx, P. pratensis), обнаружены зародышевые мешки с нарушенной поляризацией и нетипичным количеством ядер.

Высокая частота формирования нескольких зародышевых мешков в одном семязачатке, присущая подавляющему большинству апомиктичных видов Festuca и Poa, была свойственна также изученным популяциям Hierochloë glabra, H. repens, Koeleria cristata и K. sabuletorum. У H. glabra частота формирования множественных мегагаметофитов составила в одной из популяций 5,7%, а в другой – 8,6%. У H. repens и K. cristata 23% всех семязачатков содержали от 2 до 5 зародышевых мешков. Они могли находиться как на одной, так и на разных стадиях развития. У растений K. sabuletorum, зафиксированных на стадии споро- и гаметофитогенеза, рядом с тетрадами мегаспор и одноядерными зародышевыми мешками обнаружены крупные клетки, морфология которых соответствует инициалям нередуцированных зародышевых мешков. Высокая частота образования в одном семязачатке нескольких мегагаметофитов, зарегистрированные случаи дифференциации в нуцеллусе инициальных клеток служат прямым указанием на апоархеспорию.

У H. glabra и H. repens в отличие от других апомиктичных видообразцов среди атипичных зародышевых мешков чаще встречались женские гаметофиты с неполным комплектом элементов (без синергид или антипод). В семязачатках, зафиксированных на стадии начала цветения, обнаружены зародышевые мешки с автономным эндоспермогенезом. В них отсутствовали следы проникновения пыльцевых трубок, в яйцевом аппарате, как правило, находились интактные синергиды, а в центральной клетке – два и более ядер эндосперма. Соотношение стадий эмбрио- и эндоспермогенеза в таких зародышевых мешках могло быть различным. Зарегистрировано как одновременное развитие зародыша и эндосперма, так и опережающий эндоспермогенез. В то же время обнаружены единичные зародышевые мешки с многоклеточным зародышем при неслившихся полярных ядрах. У обоих видов в единичных мегагаметофитах отмечено двойное оплодотворение.

Для Agrostis alba, напротив, был типичен преждевременный эмбриогенез, что, как правило, присуще псевдогамным формам. Практически во всех зародышевых мешках (96,1%) многоклеточный проэмбрио присутствовал при неслившихся полярных ядрах. Множественных мегагаметофитов зарегистрировано не было. Все семязачатки содержали по одному зародышевому мешку. В нескольких семязачатках, зафиксированных на более ранней стадии развития, над двухъядерным мегагаметофитом располагались остатки крупной дегенерировавшей клетки, что обычно наблюдается в случае формирования нередуцированных зародышевых мешков из халазальной клетки диады мегаспор. Описанные особенности эмбриологического развития у A. alba указывают на диплоспорию Taraxacum-типа и псевдогамию.

Сравнительный анализ популяций одного вида из разных мест обитания свидетельствует о том, что проявление апомиксиса на эмбриологическом уровне не зависит от условий произрастания растений. Популяции одного вида характеризовались одним доминирующим типом развития мегагаметофита и эндосперма, соотношением темпов эмбрио- и эндоспермогенеза, одним спектром гаметофитных аномалий. Не обнаружено каких-либо корреляций между условиями места обитания популяции и частотой формирования зародышевых мешков с атипичной структурой. Так, у P. nemoralis и P. pratensis популяции с Камчатского полуострова и Нижнего Поволжья достоверно не отличались друг от друга по частоте гаметофитных аномалий (рис. 3), а у P. angustifolia практически одинаковое количество зародышевых мешков атипичного строения обнаружено у видообразцов, собранных на Камчатке, в Якутии, Приполярном Урале и Нижнем Поволжье (рис. 4). В то же время отдельные популяции этого вида, обитающие в разных районах Саратовской области, имели достоверные отличия по частоте гаметофитных аномалий.

и P. nemoralis (б), собранных в разных регионах России

* * *
Результаты проведенного исследования дают основания для выделения у апомиктичных злаков общих для семейства в целом особенностей развития репродуктивных структур (микро- и мегагаметофита, зародыша и эндосперма). Универсальными признаками, присущими всем изученным апомиктичным злакам, являются:

1. 
   асинхронность эмбриологических процессов;
   
2. 
   поливариантность эмбриологического развития;
   
3. 
   специфические нарушения развития.
   

Следствием специфических для апомиктов нарушений эмбриологического развития являлось формирование морфологически неоднородной пыльцы и мегагаметофитов атипичного строения. Среди зародышевых мешков с атипичной структурой на ценоцитной стадии преобладали мегагаметофиты с нарушенной поляризацией, а среди зрелых – зародышевые мешки с яйцеклеткоподобными синергидами, тремя полярными ядрами и неполным комплектом элементов.