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

(обсуждение результатов)

при факультативном апомиксисе у злаков

(пунктиром указан путь развития при псевдогамии)

У исследованных злаков факультативный характер апомиксиса проявляется исключительно в возможности реализации разных способов репродукции в пределах одного растения. Например, у апомиктичных видообразцов мятликов в случайной выборке из 100 растений не обнаружено ни одного растения, которое характеризовалось исключительно амфимиксисом или апомиксисом. В каждом соцветии, зафиксированном на ранних стадиях развития, были обнаружены как семязачатки с апоархеспорическим зародышевым мешком и дегенерирующей тетрадой мегаспор, так и семязачатки, в которых происходило развитие эуспорического мегагаметофита из халазальной мегаспоры. На более поздних стадиях у каждого растения, наряду с женскими гаметофитами с партеногенетическим проэмбрио, были обнаружены (хотя бы единичные) зародышевые мешки в момент двойного оплодотворения. Кроме того, у апоархеспорических форм одновременная реализация половой и апомиктичной программ развития наблюдалась не только в пределах одного растения, но и одного семязачатка, когда параллельно с развитием эуспорического мегагаметофита происходило формирование нередуцированного зародышевого мешка из соматической клетки нуцеллуса. Такое явление типично не только для исследованных нами видообразцов, оно описано также у ряда других видов злаков (Hutchinson, Bashaw, 1964; Gupta, 1968; D'Cruz, Reddy, 1968; Shoda, Bhanwra, 1980; Quarin, Urbani, 1990; Bharathi et al., 1991). Даже внутри одного мегагаметофита у мятликов в случае полигаметии одна из яйцеклеток могла развиваться партеногенетически, а другая оплодотворялась и давала начало зиготическому зародышу.

Согласно классическим представлениям, каждый апомиктичный вид характеризуется одним строго определенным сочетанием разных вариантов следующих параметров системы репродукции: 1) типа развития нередуцированного зародышевого мешка (апоархеспория, апоспория, диплоспория); 2) способа формирования эндосперма (автономное развитие, псевдогамия); 3) специфического соотношения темпов эмбрио- и эндоспермогенеза (преждевременная эмбриония, опережающий эндоспермогенез). Результаты проведенного исследования свидетельствует о том, что существование у вида «доминирующих» параметров системы репродукции не исключает возможности реализации у него не только половой программы развития, но и других вариантов апомиктичной программы. У P. pratensis при доминировании апоархеспории спорадически формируются апоспорические зародышевые мешки, а у P. badensis, для которого характерна диплоспория, в единичных семязачатках происходит заложение апоархеспорических инициалей. Поливариантностью путей формирования нередуцированного мегагаметофита характеризуются и другие апомиктичные виды. Апоархеспория в сочетании с диплоспорией встречается у Alchemilla vulgaris, A. sarmatica, A. filicaulis, A. glaucescens, A. incisa (Плиско, 1970; Izmailow, 1986; Глазунова, 2000), Fragaria х ananassa (2n=8х=56) (Батурин, 1997), Paspalum minus (Bonilla, Quarin, 1997), Pennisetum ciliare (Czapik, 2000). Формирование апоспорических и диплоспорических мегагаметофитов зарегистрировано у Tripsacum dactyloides (Шишкинская, Горюнова, 1971).

Таким образом, в отличие от половых сородичей, у апомиктичных форм в пределах одного растения, а, следовательно, на базе одного генотипа, возможна одновременная реализация нескольких программ развития: половой и одного или нескольких вариантов апомиктичной. Поливариантность путей формирования семени, в целом, и отдельных эмбриологических процессов, в частности, крайне важно учитывать при разработке моделей генетического контроля апомиксиса.

Система семенной репродукции апомиктичных злаков достаточно лабильна и допускает переходы с одной программы на другую на разных стадиях развития. Например, после формирования нередуцированного зародышевого мешка апомиктичный путь развития может сменяться половым: яйцеклетка оплодотворяется и дает начало гибридному зародышу. Встречаются и обратные ситуации, когда в редуцированном зародышевом мешке яйцеклетка развивается партеногенетически. Переходы с одной программы эмбриологического развития на другую являются причиной гетерогенности потомства апомиктов по плоидности. Наряду с диплоидными проростками, которые составляют обычно подавляющее большинство в апомиктичных популяциях, встречаются гаплоидные проростки – результат партеногенетического развития редуцированных яйцеклеток, и триплоидные – результат оплодотворения нередуцированных женских гамет (Bantin, Matzk, Dresselhaus, 2001; Berthaud, 2001 и др.).

Для подавляющего большинства изученных злаков характерна псевдогамия, при которой эндосперм образуется только после оплодотворения полярных ядер. По сути, псевдогамия сама по себе включает элементы половой и апомиктичных программ развития. В то же время у псевдогамных форм спорадически наблюдается автономный эндоспермогенез. Это подтверждают данные, полученные в ходе анализа состояния женской генеративной сферы P. pratensis в отсутствии опыления. У Hierochloё glabra, напротив, в части зародышевых мешков зарегистрировано оплодотворение полярных ядер, тогда как в подавляющем большинстве из них эндосперм развивается автономно.

Если у половых видов сбои в реализации программы эмбриологического развития единичны, то у апомиктов они носят закономерный характер. Результаты сравнительного цитоэмбриологического исследования видообразцов злаков с разным способом репродукции позволяют выделить три основных особенности эмбриологического развития апомиктичных форм:

1. 
   возможность осуществления альтернативных программ развития (амфимиктичной и апомиктичной) на базе одного генотипа;
   
2. 
   возможность перехода с одной программы эмбриологического развития на другую (с половой на апомиктичную и наоборот);
   
3. 
   специфические нарушения при реализации программы эмбриологического развития.
   

Незавершенность эмбриологических процессов ведет к формированию зародышевых мешков с атипичной структурой. Результатом преждевременной дифференциации мегагаметофитов, не прошедших через все митотические циклы, является образование зародышевых мешков с неполным комплектом элементов. Нетипичное расположение ядер в ценоцитном мегагаметофите приводит к нарушению процесса дифференциации. Наиболее вероятной причиной аномальной поляризации зародышевых мешков может быть начало очередного митотического деления до завершения перестройки цитоскелета.

Специфические для апомиктов аномалии микроспорогенеза – формирование однополюсных веретен и двухъядерных микроспор, также являются результатом незавершенности отдельных этапов этого процесса. Двухъядерные микроспоры образуются вследствие выпадения цитокинеза. Построение однополюсных веретен, как ранее было показано на гибридных формах злаков, может происходить из-за блокады процесса формирования кинетохорных микротрубочек в прометафазе (Серюкова и др., 2003). Анализ аномалий мужских и женских гаметофитов свидетельствует о том, что их появление связано с функционированием цитоскелета, и эта связь, несомненно, требует дальнейшего исследования.

Характерное для апомиктичных видов нарушение последовательности эмбриологических стадий и процессов может быть следствием нарушения времени начала и продолжительности экспрессии генов, контролирующих разные этапы эмбриологического развития. Согласно гипотезе, предложенной J. Carman (1997), апомиксис есть проявление асинхронной экспрессии экотипически специфических аллелей, которые регулируют начальные моменты и длительность эмбриологических процессов. Несмотря на то, что в последние годы гетерохронная гипотеза снискала себе немало сторонников (Koltunow et al., 1998; Crane, 2001; Grimanelli et al., 2001; Grimanelli et al., 2003; Perotti et al., 2004), ее обоснование требует дополнительных экспериментальных данных. Результаты эмбриологических исследований апомиктов свидетельствуют в пользу существования единой генетической системы контроля семенного размножения, в рамках которой реализуется и половой, и апомиктичный пути развития (Shishkinskaya, Yudakova, 2008). Изменение временных параметров функционирования отдельных звеньев этой системы обеспечивает переход от одной программы развития на другую и сочетание отдельных элементов обеих программ в рамках одного и того же генотипа.

апомиктичного способа репродукции

Среди эмбриологических признаков апомиксиса особого внимания заслуживает полигаметия (формирование в мегагаметофите дополнительных яйцеклеток за счет трансдетерминации синергид или антипод). Она является наиболее часто встречающимся гаметофитным признаком не только у растений с регулярными формами апомиксиса, но и с нерегулярными редуцированными формами. Например, у линий кукурузы, склонных к гаплоидному партеногенезу, частота зародышевых мешков с дополнительными яйцеклетками составляет от 4 до 9% (Еналеева, Тырнов, 1994; Enaleeva, Tyrnov, 1997). В связи с этим, вполне определенно можно утверждать, что образование дополнительных яйцеклеток и яйцеклеткоподобных синергид является признаком, сопряженным с наиболее важным элементом апомиксиса партеногенезом, и, следовательно, на его основе возможно проведение искусственного отбора на апомиксис у культурных и дикорастущих злаков.

Аномалии репродуктивных структур обычно негативно влияют на процесс воспроизводства. Они могут нарушить или даже полностью исключить развитие полноценного потомства. Однако у апомиктичных форм гаметофитные аномалии чаще всего являются исключением из этого правила: они либо нейтральны для репродуктивного процесса, либо создают цитоэмбриологические предпосылки для повышения семенной продуктивности и адаптивного потенциала популяции.

«Полезными» для популяции могут быть аномалии, приводящие к образованию диплоидных пыльцевых зерен и микрогаметофитов с дополнительными спермиями. В ряде работ было показано, что нередуцированные микрогаметофиты не только могут участвовать в репродуктивном процессе, но даже имеют некоторые селективные преимущества по сравнению с гаплоидными (Simon, Peloquin, 1976; Van Breukelen, 1982; Mokadem et al., 2002). Принимая во внимание, что полиплоидизация является важным фактором эволюции покрытосеменных растений (Stebbins, 1971; Грант, 1984), формирование нередуцированных мужских гаметофитов может играть определенную роль в эволюционном преобразовании вида, так как способствует увеличению плоидности потомства (Harlan, De Wet, 1975; Veilleux, 1985; Bretagnolle, Thompson, 1995). Кроме того, у псевдогамных апомиктов участие в оплодотворении центральной клетки спермиев с нередуцированным числом хромосом, а также дополнительных спермиев может способствовать достижению оптимального баланса материнского и отцовского геномов, необходимого для нормального развития эндосперма (Lin, 1978; Nishiyama, Yabuno, 1978; Ehlenfeldt, Hanneman, 1988; Ноглер, 1990; Haig, Westoby, 1991; Grimanelli et al., 1997; Hong Ma, 1999; Quarin, 1999; Sokolov, Khatypova, 2001).

Образование женских гаметофитов с неполным комплектом элементов или с нетипичной структурой в подавляющем большинстве случаев также не несет за собой негативных последствий для процесса репродукции. Полноценное семя нельзя сформировать при отсутствии в зародышевом мешке яйцеклетки или полярных ядер. Без женской гаметы невозможно развитие зародыша, без полярных ядер – эндосперма. У изученных видообразцов зародышевые мешки без яйцеклеток и полярных ядер были единичными. В женских гаметофитах с неполным комплектом элементов, как правило, недоставало антипод или синергид. Кроме того, у апоархеспорических форм злаков, для которых характерно образование нескольких зародышевых мешков в одном семязачатке, даже отсутствие полярных ядер не всегда ведет к отрицательному результату. Если в одном из множественных мегагаметофитов отсутствуют полярные ядра, развитие зародыша в нем может происходить за счет эндосперма соседнего зародышевого мешка.
Отсутствие в женском гаметофите одной из антипод легко компенсируется за счет процессов пролиферации и эндорепродукции остальных клеток антиподального комплекса. В связи с тем, что антиподы выполняют важную трофическую функцию, следовало бы ожидать, что зародышевые мешки без антипод окажутся нежизнеспособными. Тем не менее, в некоторых вышестоящих таксонах злаков, например, в трибах Andropogoneae и Paniceae, у апомиктичных видов апоархеспорические зародышевые мешки никогда не имеют антипод, но при этом растения характеризуются хорошей завязываемостью семян (Warmke, 1954; Brown, Emery, 1958; Hutchinson, Bashaw, 1964; Muniyamma, 1978).

Не оказывает негативного влияния на репродуктивный процесс и отсутствие в мегагаметофите одной или даже обеих синергид. Зародышевые мешки без этих элементов не имели признаков дегенерации. Кроме того, отсутствие синергид в зародышевом мешке в определенной мере может даже способствовать партеногенезу. У факультативных апомиктов яйцеклетки формируют зародыши как без оплодотворения, так и в результате оплодотворения. Синергиды вырабатывают специфические сигнальные вещества, привлекающие рост пыльцевых трубок (Higashiyama et al., 2002). Если их рост в тканях пестика будет замедлен из-за отсутствия синергид, то яйцеклетка получить больше шансов для партеногенетического развития.

Основной причиной образования мегагаметофитов с нетипичной структурой является трансдетерминация, в результате которой вместо элемента с важной, но, все же, второстепенной функцией (синергиды, антиподы) формируется элемент, который принимает непосредственное участие в репродуктивном процессе (яйцеклетка, полярное ядро, мегагаметофит). Развитие дополнительных яйцеклеток и мегагаметофитов создают предпосылки к полиэмбрионии и, как следствие, к повышению семенной продуктивности популяции. Кроме того, их образование позволяет сочетать разные способы репродукции внутри одного семязачатка, когда одна из яйцеклеток оплодотворяется, а другая (того же или соседнего мегагаметофита) развивается партеногенетически. Одновременная реализация у одного и того же растения апомиксиса и амфимиксиса, а также сочетание их элементов в свою очередь способствует смене уровня плоидности и увеличению генетической гетерогенности потомства. Кроме того, добавочные яйцеклетки и зародышевые мешки предоставляют дополнительный материал для отбора наиболее жизнеспособных женских гаметофитов и гамет.

Принимая во внимание высокую и стабильно проявляющуюся изменчивость строения женских гаметофитов, ее положительный эмбрио-генетический эффект на репродуктивный процесс, становится очевидным, что термин «гаметофитные аномалии» в приложении к зародышевым мешкам, характеризующимся нетипичной морфологией, не совсем точно отражает сущность этого явления. Для их обозначения, на наш взгляд, более правильно использовать термин «гаметофитные вариации».

Закономерный характер проявления гаметофитных аномалий (вариаций), их нейтральный и положительный эмбрио-генетический эффект указывают на возможные направления эволюционного преобразования структуры женского гаметофита у апомиктичных видов злаков. С одной стороны, прослеживается тенденция к уменьшению числа элементов зародышевого мешка за счет сокращения числа митозов при его формировании. В пользу этого свидетельствует спорадическое образование у изученных апомиктичных видообразцов малоядерных мегагаметофитов без антипод, характерных для апомиктичных видов вышестоящих таксонов злаков. С другой стороны, наблюдается склонность к увеличению продуктивности зародышевого мешка за счет образования дополнительных гамет вместо синергид (реже антипод).

3. 
   Место апомиксиса в системе семенного размножения
   

Результаты проведенного популяционно-эмбриологического исследования дикорастущих злаков указывают на широкое распространение апомиктичных форм во флорах территорий с различными климатическими условиями. В случайных выборках видов из разных регионов России количество апомиктов варьировало от 22,2 (Якутия) до 40,0% (Нижнее Поволжье) (рис. 6). Согласно теории «географического партеногенеза» апомиктичные виды обычно приурочены к северным широтам и большим высотам (Vandel, 1928; Bierzychudek, 1985; Hörandl, 2006). Однако в проведенном нами исследовании доля апомиктичных видов в злаковом компоненте флоры оказалась высокой не только в северных и высокогорных районах, но и в Нижнем Поволжье, расположенном в средних широтах и характеризующимся умеренным климатом.

Апомиксис не ограничивается какой-либо локальной популяцией. Он встречается у растений, отдаленных друг от друга на очень большие расстояния. Так, у P. angustifolia апомиксис зарегистрирован у видообразцов, собранных в регионах с разными климатическими условиями: в умеренно холодном муссонном климате Камчатки, умеренно холодном резко континентальном климате Якутии и Приполярного Урала и, наконец, в умеренном континентальном климате Нижнего Поволжья. У P. pratensis и P. nemoralis эмбриологические признаки апомиксиса отмечены в популяциях Камчатского полуострова и Нижнего Поволжья. Кроме того, у этих видов мятликов апомиктичные формы широко представлены во флоре Западной Европы и Северной Америки (Nygren, 1954; Clausen, 1961; Pommer, 1972; Mazzucato, 1995; Mazzucato et al., 1996). У овсяниц популяции с апомиктичным способом репродукции также обнаружены в регионах с разными климатическими условиями (F. gigantea – Северный Кавказ (Шишкинская, Бородько, 1987) и Нижнее Поволжье; F. rubra – Камчатка, Приполярный Урал, Нижнее Поволжье).



Рис. 6. Встречаемость половых и апомиктичных видов в изученных выборках злаков
Подавляющее большинство апомиктичных видов, выявленных на изученных территориях, принадлежат к родам Poa и Festuca. Как известно представители этих родов играют важную роль в сложении травянистых группировок. Они не только доминируют в фитоценозах на равнинных и нагорных лугах, в степях и травянистом ярусе лесов Евразии, но и нередко выступают в качестве эдификаторов растительных сообществ (Цвелев, 1976). К числу доминантных видов относятся и представители других родов, в которых широко распространен апомиксис. Так виды рода Bothriochloa доминируют в степях южных районов Евразии, Bouteloua, Chloris, Buchloe – в прериях Северной Америки, Cortaderia – в пампасах Южной Америки (Цвелев, 1976).

Значительная доля апомиктов в злаковом компоненте флор территорий с разными климатическими и географическими условиями, присутствие апомиктичных популяций в разных частях ареала вида, принадлежность апомиктичных видов к числу доминантов растительных сообществ свидетельствуют против представления о том, что апомиксис обеспечивает лишь частную приспособленность видов к определенным условиям среды (Розанова, 1948; Петров, 1964; Дубинин, 1966; Левина, 1972). Несомненно, что он играет более важную роль и служит механизмом оптимизации системы размножения вида по всему ареалу.