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

Нетипичное строение зрелых мегагаметофитов может быть обусловлено не только ошибочным попаданием ядра в нехарактерную для него зону, но и нарушением синтеза и распределения морфогенетических детерминантов в цитоплазме ценоцита. Такими нарушениями можно объяснить присутствие в зрелых зародышевых мешках недифференцированного яйцевого аппарата и формирование яйцеклеткоподобных антипод. Яйцевой аппарат может остаться недифференцированным при отсутствии в микропилярном районе необходимых морфогенетических детерминантов, а яйцеклеткоподобные антиподы могут сформироваться в том случае, если в зародышевом мешке с типичным расположением ядер будет нарушено распределение морфогенетических детерминантов.

У злаков антиподы в процессе своего развития способны митотически делиться и, следовательно, в отличие от других клеток женского гаметофита, более длительное время остаются тотипотентными. Возможно, что именно сохранение свойства стволовости (Батыгина, Рудский, 2006) позволяет недифференцированным клеткам халазального района мегагаметофита изменять направление развития и становиться инициальными клетками зародышевых мешков.
3.4. Эмбриогенез
Исследованные видообразцы мятликов характеризуются преждевременной эмбрионией, при которой партеногенетическое развитие яйцеклетки начинается в нераскрывшихся цветках до проникновения в зародышевый мешок пыльцевой трубки. В то же время к моменту опыления в соцветиях всегда остается часть мегагаметофитов с интактной яйцеклеткой (P. badensis – 42±16%, P. chaixii – 34±7%, P. comressa – 25±6%, P. pratensis – 22±6%). Это обусловлено асинхронностью развития цветков в соцветии, неодновременным заложением инициалей апоархеспорических зародышевых мешков внутри одного семязачатка, и, наконец, асинхронностью развития нескольких яйцеклеток в одном мегагаметофите в случае полигаметии. Десинхронизация эмбриологических процессов в женской генеративной сфере создает предпосылки для реализации разных способов развития зародыша (в результате оплодотворения или партеногенеза) не только в пределах одного соцветия, но и одного семязачатка и даже внутри одного зародышевого мешка. У P. pratensis и P. chaixii в нескольких случаях был зафиксирован момент оплодотворения яйцеклетки в одном из сдвоенных зародышевых мешков, тогда как в другом присутствовал автономный проэмбрио при интактных полярных ядрах.

В пользу того, что внутри одного зародышевого мешка могут одновременно развиваться и партеногенетические, и зиготические зародыши свидетельствуют следующие факты. В семязачатках, зафиксированных до начала цветения были обнаружены зародышевые мешки с автономным проэмбрио, рядом с которым располагалась дополнительная интактная яйцеклетка. Через 2 суток от начала цветения часть мегагаметофитов содержала глобулярный автономный зародыш и крупный двухклеточный проэмбрио. Оплодотворение дополнительных женских гамет в нередуцированных зародышевых мешках может стать причиной появления триплоидных растений. Присутствие в потомстве триплоидов, наряду с диплоидами и гаплоидами, описано у ряда апомиктичных видов (Bantin et al., 2001; Berthaud, 2001 и др.).

Вне зависимости от способа образования зародыша (партеногенез или оплодотворение), его дальнейшее развитие проходит по единому алгоритму. Переход яйцеклетки в апозиготу сопровождается теми же морфогенетическими изменениями, которые наблюдаются при превращении яйцеклетки в зиготу. Индуцированная к делению яйцеклетка приобретает более округлую форму, в ней исчезает вакуоль, ядро занимает центральное положение. Развитие как зиготических, так и партеногенетических зародышей соответствует типу Graminad. В то же время у некоторых зародышей отмечены нарушения последовательности митотических делений и/или заложения клеточных перегородок.
3.5. Эндоспермогенез
Для изученных видов мятликов характерен широко распространенный у злаков тип апомиксиса – псевдогамия, при которой зародыш развивается партеногенетически, а эндосперм – в результате оплодотворения полярных ядер. Не только в пределах исследованных популяций, но даже у одного и того же растения в разных зародышевых мешках формирование первичного ядра эндосперма осуществлялось по-разному:

1. 
   центральное ядро сливалось либо с одним, либо с двумя спермиями;
   
2. 
   только одно из полярных ядер оплодотворялось одним спермием;
   
3. 
   каждое из двух полярных ядер сливалось с одним спермием.
   

У части зрелых семян (3-5%) эндосперм отсутствовал. В зависимости от срока фиксации такие семена содержали глобулярный проэмбрио на разных стадиях дегенерации. Характерными нарушениями процесса эндоспермогенеза являются формирование мозаичного или малоклеточного эндосперма (в среднем 1-4%). Мозаичные эндоспермы на ценоцитной стадии состояли из ядер, различающихся по размеру и форме, на более поздних стадиях в микропилярной части имели клеточное строение, а в халазальной части оставались ценоцитными. Малоклеточные эндоспермы формировались в результате преждевременного образования клеточных перегородок, когда эндосперм содержал 16-32 ядра. В зрелых семенах малоклеточный эндосперм окружал зародыш и занимал лишь микропилярную часть гаметофита. Такое нарушение может быть следствием неоптимальной геномной структуры первичного ядра эндосперма. Как известно, у половых форм ранний цитокинез характерен для эндосперма с избыточным количеством материнских генов (м) по отношению к отцовским (о), т. е. с геномным соотношением 3м:1о, 4м:1о, 5м:2о и др. (Lin, 1978; Haig, Westoby, 1991). У псевдогамных апомиктов избыток материнских генов в первичном ядре эндосперма может быть результатом оплодотворения двух диплоидных полярных ядер (2n+2n) одним гаплоидным спермием (4м:1о) или в случае автономного развития центральной клетки (2м:0о).

Возможность спорадического образования автономного эндосперма у P. pratensis была подтверждена в ходе проведенного эксперимента по выращиванию растений при беспыльцевом режиме. В кастрированных и изолированных цветках автономный эндоспермогенез отмечался на разных сроках фиксации с частотой 0,2–2,8%. Однако, эндосперм, как правило, был аномальным: неоднородным по структуре или содержал значительно меньше клеток, чем в норме на данной стадии развития. Начиная со 2 суток после кастрации, в зародышевых мешках с автономным эндоспермом наблюдали признаки дегенерации. На 7 сутки эндосперм полностью дегенерировал.

В отличие от половых злаков изученные апомиктичные мятлики характеризуются иным соотношением стадий эмбрио- и эндоспермогенеза. У половых видов эмбриогенез представляет собой непрерывный процесс, а при псевдогамии он оказывается разорванным «периодом покоя» глобулярного проэмбрио. Партеногенетическое развитие яйцеклетки начинается в отсутствии эндосперма. Достигнув стадии глобулы, зародыш на некоторое время останавливает свое развитие. «Период покоя» проэмбрио заканчивается сразу после завершения процесса дифференциации клеточного эндосперма. Длительность паузы в эмбриогенезе может быть различной. Это обусловлено присущей апомиктам асинхронностью эмбриологических процессов. В разных зародышевых мешках на момент проникновения в них пыльцевых трубок зародыши могут находиться на разных стадиях развития: от апозиготы до многоклеточного глобулярного проэмбрио. Чем раньше произойдет оплодотворение центральной клетки, тем короче будет «период покоя» зародыша. В то же время он не может продолжаться бесконечно долго, и у мятликов, видимо, не превышает 4-5 суток. У P. pratensis в кастрированных и изолированных цветках глобулярный проэмбрио сохранял свою жизнеспособность дольше других структур зародышевого мешка, но уже на 5 сутки после кастрации в нем появлялись первые признаки дегенерации.

В зрелых семенах зародыш оставался недифференцированным не только в отсутствии эндосперма, то и в том случае, если аномальный эндосперм состоял из небольшого количества клеток или был мозаичным, и лишь небольшая часть его имела клеточное строение. Выявленные закономерности свидетельствуют о том, что стадия развития эндосперма, на которой он начинает осуществлять свою формообразующую функцию по отношению к зародышу, наступает после достижения эндоспермом критической массы и завершения процесса клеткообразования. Таким образом, эндоспермогенез у злаков включает три ключевых фазы:

1. 
   фаза инициации, в ходе которой происходит оплодотворение полярных ядер и формирование первичного ядра эндосперма;
   
2. 
   фаза роста, характеризующаяся активными митотическими делениями (на этой стадии эндосперм не оказывает влияния на развитие зародыша);
   
3. 
   функциональная фаза, во время которой происходит синтез индукторов дифференцировки зародыша и накопление запасных питательных веществ; у видов с нуклеарным эндоспермом она наступает после того, как он достигает определенной критической массы и становится клеточным.
   

* * *
Сравнительный анализ исследованных видообразцов мятликов показывает, что за исключением способа формирования нередуцированного женского гаметофита (диплоспория у P. badensis и апоархеспория у P. chaixii, P. compressa, P. pratensis), все они демонстрируют абсолютное сходство в проявлении апомиксиса на эмбриологическом уровне. Оно затрагивает морфологические, временные параметры репродуктивных процессов (спорогенеза, гаметофитогенеза, эмбрио- и эндоспермогенеза), коррелятивные отношения между ними, а также спектр возможных нарушений этих процессов. Характерными особенностями развития репродуктивных структур при апомиксисе у мятликов являются:

1. 
   асинхронность эмбриологических процессов не только в пределах одного растения, но и в пределах одного пыльника, семязачатка или мегагаметофита;
   
2. 
   образование анеуплоидных и диплоидных пыльцевых зерен, а также мужских гаметофитов с дополнительными спермиями;
   
3. 
   формирование зародышевых мешков с нетипичной структурой (меньшим количеством элементов, яйцеклеткоподобными синергидами и антиподами, добавочными полярными ядрами и «антиподальными» мегагаметофитами);
   
4. 
   изменение последовательности клеточных делений и ориентации клеточных перегородок при образовании зародыша;
   
5. 
   преждевременное заложение клеточных перегородок в эндосперме и формирование мозаичных эндоспермов.
   

Глава 4. ПОПУЛЯЦИОННО-ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ АПОМИКСИСА

У ДИКОРАСТУЩИХ ЗЛАКОВ

Для решения теоретических проблем, касающихся эволюции системы размножения покрытосеменных растений, и практических вопросов, связанных с использованием апомиктичных форм в селекционных программах, важно знать не только особенности проявления апомиксиса в пределах одного растения, но и в пределах популяции, а также вида в целом. Проводимые ранее популяционно-эмбриологические исследования апомиктов в основном касались агамных комплексов (Wet de, 1965, 1968, 1971; Wet de et al., 1974; Berthaud, 2001 и др.). Однако многие апомиктичные виды их не образуют. С целью изучения особенностей проявления апомиксиса на популяционном и видовом уровнях был проведен сравнительный цитоэмбриологический анализ растений половых и апомиктичных популяций дикорастущих злаков.

4.1. Популяции растений с половым способом репродукции
Облигатный половой способ репродукции был установлен у растений 46 популяций 36 видов, относящихся к 23 родам (см. таблицу). Качество пыльцы растений половых популяций злаков варьировало в достаточно широких пределах (рис. 2): от полностью фертильной у Beckmannia syzigachne (СДП=0%) до сильно дефектной у Melica nutans (СДП=67,8%).
Список исследованных видообразцов злаков

Место обитания популяции	Вид	Способ репродукции**
Камчатка	Agrostis clavata Trin.* 3	П
	Agrostis scabra Willd. * 3	П
	Beckmannia syzigachne (Steud.) Fern. * 3	П
	Bromopsis pumpelliana (Scribn.) Holub s. l. * 3	П
	Calamagrostis langsdorfii (Link) Trin. * 3	П
	Elymus mutabilis (Drob.) Tzvel. S. L. (2 популяции) * 3	П
	Festuca rubra L. (2 популяции) * 3	ФА
	Hierochloë glabra Trin. S. l. (2 популяции) * 3	ФА
	Glyceria lithuanica (Gorski) Gorski* 3	П
	Leymus mollis (Trin.) Hara* 3	П
	Melica nutans L. * 3	П
	Milium effusum L. s. l. * 3	П
	Phalaroides arundinacea (L.) Rausch. S. L. * 3	П
	Phleum alpinum L. * 3	П
	Poa annua L. * 2,3	П
	Poa angustifolia L. * 2,3	ФА
	Poa pratensis L. * 2,3	ФА
	Poa macrocalyx Trautv. Et Mey. * 2,3	ФА
	Poa malacantha Kom. * 2,3	ФА
	Poa nemoralis L. s. l. * 2,3	ФА
	Poa radula Franch. Et Savat. * 3	ФА
	Poa sublanata Reverd. * 3	ФА
Приполярный Урал	Alopecurus pratensis L. * 3	П
	Alopecurus alpinus Sm.	П
	Deschampsia glauca Hartman	П
	Elymus caninus L.	П
	Elymus mutabilis (Drob.) Tzvel. S. l.	П
	Melica nutans L. * 3	П
	Festuca rubra L. * 3	ФА
	Poa angustifolia L. * 3	ФА
	Poa pratensis L. * 3	ФА
Нижнее Поволжье	Agropyron desertorum (Fisch ex Link) Schult.	П
	Agropyron pectiniforme Roem. Ex Schult.	П
	Agrostis alba L.	ФА
	Alopecurus pratensis L.	П
	Beckmannia eruciformis (L.) Host	П
	Bromus japonicus Thunb.	П
	Bromus squarrosus L.	П
	Colpodium humile (Bieb.) Griseb.	П
	Dactylis glomerata L.	П
	Digitaria sanguinalis (L.) Scop.	П
	Elymus caninus L.	П
	Elytrigia intermedia (Host) Nevski	П
	Elytrigia lolioides (Kar. Et Kir.) Nevski	П
	Festuca gigantea (L.) Vill. * 1,3	ФА
	Festuca rubra L. * 3	ФА

жүктеу/скачать 0.97 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: