Эмбриологические особенности системы семенной репродукции факультативно апомиктичных злаков

Юдакова, Ольга Ивановна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эмбриологические особенности системы семенной репродукции факультативно апомиктичных злаков
ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Эмбриологические особенности системы семенной репродукции факультативно апомиктичных злаков"

На правах рукописи

Юдахова Ольга Ивановна

ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ СЕМЕННОЙ РЕПРОДУКЦИИ ФАКУЛЬТАТИВНО АПОМИКТИЧНЫХ ЗЛАКОВ

03.00.05-ботаника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Саратов - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского» на кафедре генетики

доктор биологических наук, профессор Тырнов Валерий Степанович

доктор биологических наук, старший научный сотрудник Эльконин Лев Александрович

доктор биологических наук, профессор Матвеев Николай Михайлович

доктор биологических наук, профессор Викторов Владимир Павлович

Ведущая организация: Ботанический институт им. В.Л.Комарова РАН

Защита состоится « 25 » декабря 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.13 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83; E-mail: biosovet@sgu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке имени В.А. Артисевич ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского».

Автореферат разослан « 14 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь JM&^C -

диссертационного совета www / С.А. Невскии

Научный консультант: Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Апомиксис представляет собой уникальный способ репродукции растений, который позволяет копировать материнский организм, сохраняя при этом все преимущества семенного размножения. Использование его в селекционном процессе может способствовать решению ряда актуальных задач: закрепления гетерозиса и сохранения в ряду поколений элитных гибридных генотипов, создания фертильных полиплоидных и анеуплоидных форм, массового производства генетически чистых семян без использования трудоемкой изоляции и др. (Петров, 1979; Ноглер, 1990; Аякег, /егЬ'п^ 1992; Ко1Шпо\у, 1998; Тырнов, 2000; 8ау1(1ап, 2007). На основе такого элемента апомиксиса как редуцированный партеногенез базируются методы ускоренного получения гомозиготных и ашюплазматических линий, мутантных форм и линий стерильных аналогов (Хохлов, 1970; Тырнов, 2000). Однако отсутствие апомиксиса у сельскохозяйственных культур не позволяет в должной мере реализовать его селекционный потенциал. Создание апомиктичных форм возможно с использованием двух технологий: 1) экспериментальной индукции редуцированного и нередуцированного партеногенеза и 2) скрещивания культурных растений с их апомиктичными дикорастущими сородичами. Для успешного применения данных технологий необходимо иметь полное представление обо всех эмбриологических процессах, происходящих при апомиксисе. Несмотря нд многолетние исследования в этой области, многие аспекты эмбриологии апомиктов и сегодня относятся к числу малоизученных. Это касается процессов эмбрио- и эндоспермогенеза, особенностей взаимоотношения апомиксиса и амфимиксиса на организменном, популяционном и видовом уровнях, причин и последствий гаметофитных аномалий и многого другого.

Для экспериментального получения апомиктичных форм также необходим банк данных о потенциальных донорах генетических факторов этого способа репродукции. Важной частью работ по созданию такого банка является поиск апомиктов в дикорастущей флоре и их цитоэмбриологический анализ. Вместе с тем, выявление апомиктичных видов и их изучение актуально для решения теоретических проблем, связанных с морфогенезом, формообразовательными и эволюционными процессами на основе разных систем репродукции, генетикой и эволюцией пола и др.

■ Учитывая высокую практическую значимость исследований по апомиксису, . важно изучать способ репродукции особенно в тех таксономических группах, к которым принадлежат ценные сельскохозяйственные культуры (Батыгина, 19В7). Объектом настоящего исследования стали представители семейства Злаки (Роасеае), поскольку они составляют основу пищевых ресурсов человека и используются в качестве главных кормовых и пастбищных культур.

Цель исследования: выявление специфики структуры и функционирования системы семенного размножения факультативно апомиктичных злаков.

Задачи исследования:

- изучить особенности и закономерности развития репродуктивных структур у апомиктичных видов злаков;

- оценить репродуктивный потенциал системы размножения, основанной на взаимосвязи апомиксиса и амфимиксиса;

- изучить зависимость характера проявления апомиксиса на эмбриологическом уровне от условий обитания популяций дикорастущих злаков.

Научная новизна. Выявлены общие и специфические особенности эмбриологического развития факультативно апомиктичных злаков. Показана независимость характера проявления апомиксиса на эмбриологическом уровне у растений одного вида от условий места обитания их популяций. Установлено, что апомиктичные виды представляют большую группу в злаковом компоненте флор регионов с разными климатическими и географическими условиями. Впервые установлен факультативный апомиксис у семи видов злаков (Agrostis alba L., Hierochloe glabra Trin. s. 1., H. repens (Host) Beauv., Koeieria cristata (1.) Pers., Poa badensis Haenke, P. chaixii Vill., P. sublanata Reverd.). Описан специфический механизм нередукции в мужской генеративной сфере апомиктичных злаков за счет движения хромосом к одному полюсу клетки в анафазе первою или второго деления мейоза. Определен диапазон изменчивости структуры мужских и женских гаметофитов и установлен закономерный характер проявления гаметофитных аномалий у апомиктов. Показана поливариантность процесса оплодотворения полярных ядер в пределах одного растения при псевдогамии. Изучены морфогенетические корреляции стадий эмбрио- и эндоспермогенеза. Дано цитоэмбриологическое обоснование концепции поливариантности процесса формирования семени у факультативно апомиктичных злаков.

Научно-практическая__значимость_работы. Установленные

закономерности эмбриологического развития факультативно апомиктичных злаков важны для дальнейшего более целенаправленного решения ряда ботанических, генетических, селекционных, биотехнологических и эволюционных проблем. Выявленные апомиктичные виды злаков могут быть использованы в качестве объектов исследования общих и специфических признаков апомиксиса, доноров признаков апомиксиса, а также исходного материала для создания апомиктичных сортов. Полученные данные расширяют возможности диагностики апомиксиса на эмбриологическом уровне. Апомиктичные злаки, обнаруженные во флоре Нижнего Поволжья, включены в уникальную коллекцию апомиктов Ботанического сада Саратовского госуниверситета. Материалы диссертации используются при чтении общего курса «Ботаника» и специальных курсов «Репродуктивная биология», «Эмбриология растений», «Современные методы селекции», «Генетика пола» в Саратовском госуниверситете.

(Санкт-Петербург, 2000); II Международной конференции по апомиксису (Комо, Италия, 2001); XI съезде РБО (Барнаул, 2003); Всероссийской научной конференции «Вавиловскяе чтения - 2005» (Саратов, 2005); I, II и III Международных школах для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Санкт-Петербург, 2005; Уфа, 2007; Саратов, 2009); Международной научной конференции «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006); Всероссийской научной конференции «Ботанические исследования в Поволжье и на Урале», посвященной 50-летию Ботанического сада Саратовского госуниверситета (Саратов, 2006); II съезде УОГиС (Алушта, Украина, 2007); III Международной конференции по апомиксису (Вернигероде, Германия, 2007); Мея; ду народ ной конференции «Факторы экспериментальной эволюции» (Алушта, Украина, 2008); XII съезде РБО (Петрозаводск, 2008); XX Международном генетическом конгрессе (Берлин, Германия, 2008); научных конференциях Саратовского госуниверситета (2000-2008).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 36 работ, в том числе 2 монографии и 8 статей в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ. .

Декларация личного участия автора. Автором выполнен цитоэмбриологический анализ всех видообразцов злаков, собранных на территории Нижнего Поволжья, и более 60% видообразцов из других регионов, что составляет 55 популяций 44 видов; проведена статистическая обработка результатов; сформулированы гипотезы и выводы; приготовлены микрофотографии; разработан модифицированный метод просветления семязачатков. Доля личного участия в написании совместных публикаций составляет от 40 до 80%.

Связь с государственными научными программами, участие в выполнении грантов. Часть работы выполнена при поддержке тем аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы»: «Развитие Ботанического сада Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского как центра образовательной, научно-исследовательской и инновационной деятельности», «Развитие Ботанического сада Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского как центра биотехнологии растений», «Исследование генетических и эмбриологических закономерностей полиэмбрионии у растений», «Исследование закономерностей и путей модификации полигаметии у растений».

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 240 страниц, содержит 19 таблиц и 47 рисунков. Список литературы включает 470 источников, в том числе 320 на иностранных языках.

Основные положения, выносимые на защиту:

- факультативно апомиктичные злаки характеризуются поливариантностью путей формирования семени на базе одного генотипа (в пределах одного растения, семязачатка, мегагаметофита), что обусловлено

возможностью реализации двух программ развития (половой и апомиктичной) и комбинацией их элементов;

- поливариантность присуща и процессу формирования семени в целом, и отдельным этапам апомиктичной программы развития (разные варианты гаметофитогенеза, эмбрио- и эндоспермогенеза);

- универсальными эмбриологическими особенностями факультативно апомиктичных злаков являются асинхронность эмбриологических процессов и специфические отклонения в структуре женских гаметофитов;

- характер проявления апомиксиса у злаков на эмбриологическом уровне не зависит от условий места обитания популяций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, определяются их цели и задачи.

Глава 1. АПОМИКСИС У ПОКРЫТОСЕМЕННЫХ РАСТЕНИЙ: НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ДИСКУССИОННЫЕ ВОПРОСЫ

(обзор литературы)

В главе рассматриваются вопросы терминологии и классификации апомиксиса; приводятся сведения о распространении апомиктичного способа репродукции у покрытосеменных растений (Frixell, 1957; Хохлов, 1970; Carman, 1995, 2007; Батыгина, 2000; Шишкинская и др., 2004 и др.); обсуждаются дискуссионные вопросы о причинах и механизмах возникновения апомиксиса (Gustafàson, 1946-1947; Rutishauser, 1969; Savidan, 1982; Nogler, 1995; Leblanc et al., 1995; Carman, 1997, 2007; Albertini, 2001; Соколов, Хатыпова, 2002; Perotti et al., 2004; Matzk et al., 2005, 2007; Okada et al., 2007 и др.) и его роли в эволюции покрытосеменных растений (Darlington, 1937; Stebbins, 1941; Gustafsson, 19461947; Петров, 1964; Хохлов, 1970; Wet de et al., 1974; Ellstrand, Roose, 1987; Asker, Jerling, 1992; Шишкинская, Тырнов, 2000; Hörandl, Paun, 2.007 и др.).

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ 2.1. Материал исследования

Исследование проведено на кафедре генетики Саратовского государственного университета имени Н.Г.Чернышевского в 1989-2009 гг. • Изучение особенностей эмбриологии апомиктичных видов, начиная с процессов спорогенеза и заканчивая формированием семени, проводили на апомиктичных видообразцах мятликов (Роа L.) из коллекции Ботанического сада Саратовского госуниверситета: Роа badensis Haenke, P. chaixii Vill., ■■ P. compressa L. и P. pratensis L. Выбор мятликов в качестве объекта исследования обусловлен не только широким распространением апомиксиса у видов этого рода (Gustafsson, 1946; Nygren, 1954; Muntzing, 1965; Жиров, 1970;

Кордюм, 1970; Kellogg, 1987; Батыгина, Маметьева, 1979; Шишкинская и др., 1994; Кутлунина, 2001 и др.), но и тем, что в последние годы они все чаще используются для решения проблем генетического контроля апомиксиса (Matzk, 1991; Naumova et al., 1993; Barcaccia et al., 1998; Albertini et al., 2001, 2004; Matzk et al., 2005, 2007 и др.). Кроме того, изучение эмбриологии представителей рода Роа имеет важное практическое значение, так как подавляющее большинство из них являются ценными кормовыми и газонными травами. Они включены и различные селекционные программы, в том числе направленные на создание сортов для долголетних пастбищ.

Растения выращивались в открытом грунте. Фиксацию соцветий проводили ацетоалкоголем (3:1) темпорально: на стадии нераскрывшихся цветков, начала цветения, а также спустя 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 15 сут от начала цветения. В указанные сроки фиксировали соцветия не менее 10 растений каждого видообразца. Соцветия Р. pratensis были зафиксированы в режиме открытого цветения и в беспыльцеьом. Во втором варианте из зрелых нераскрывшихся цветков пинцетом удаляли пыльники. Соцветия изолировали бумажными пакетами, а затем фиксировали темпорально спустя 2, 3, 4, 5, 7, 14 сут после кастрации. У каждого видообразца анализ микроспороцитов и мужских гаметофитов проводили у растений, зафиксированных до начала цветения и в его разгар, структуру женских гаметофитов исследовали при всех сроках фиксации. С одного растения приготавливали не менее двух препаратов пыльцы и 20 зародышевых мешков. Всего было проанализировано более 10000 цитологических препаратов.

Объектом популяционно-эмбриологических исследований послужила коллекция видообразцов дикорастущих злаков, собранных в разных регионах России. В ходе экспедиций производили случайную выборку видов злаков, фоновых для изучаемых территорий. В период открытого цветения 10-15 растений одного вида собирали с площади не менее 20 м2 и фиксировали смесью Чемберлена (Паушева, 1970). Всего было изучено 79 популяций 54 видов 28 родов злаков, проанализировано более 15000 препаратов.

2.2. Физико-географическая характеристика районов сбора материала

Сбор видообразцов осуществляли в регионах с разными климатическими условиями: в двух районах, с умеренно-холодным резко континентальным климатом - Приполярном Урале и Якутии, в районе с умеренным континентальным климатом - Нижнем Поволжье (Саратовской обл.), а также в уникальном по своим климатическим и географическим условиям Камчатском полуострове. Выбор Якутии, Приполярного Урала и Камчатки в качестве мест сбора материала был обусловлен тем, что согласно имеющимся на сегодня сведениям, наибольшее количество аломиктичных форм сосредоточено в регионах с неблагоприятными для растений условиями обитания (в северных широтах и на высокогорье) (Stebbins, 1950; Richards, 1997; Bierzychudek, 1985; van Dijk, 2003 и др.). В главе приводится описание климатических и географических условий районов сбора видообразцов.

2.2. Методы исследования

Способ репродукции растений устанявливали на основе результатов анализа степени дефектности пыльны (СДП) и структуры женских гаметофитов. Показатель «качество пыльцы» использовали для предварительной диагностики апомиксиса. Основными критериями для констатации апомиктичного способа репродукции служили эмбриологические признаки апомиксиса, касающиеся особенностей развития женского гаметофита, зародыша и эндосперма (Хохлов и др., 1978). Заключение о половом способе репродукции делали на основе двух главных критериев: отсутствии эмбриологических признаков апомиксиса и регистрации двойного оплодотворения.

Для получения наиболее полной информации о специфике эмбриологических процессов при апомиксисе использовали комплекс различных методов цитоэмбриологического анализа: классический метод приготовления постоянных препаратов и экспресс-методы исследования мужской и женской генеративных сфер. Микроспорогенез и структуру микрогаметофитов изучали на временных и глицерин-желатиновых препаратах, окрашенных ацетокармином (Паушева, 1970; Куприянов, 1989). Женскую генеративную сферу исследовали на постоянных препаратах (Паламарчук, 1964), а также приготовленных с помощью методов просветления семязачатков (Herr, 1971) и выделения зародышевых мешков с помощью ферментативной мацерации и последующей диссекции семязачатков (Куприянов, 1982).

Препараты анализировали с помощью микроскопов «Axiostar Plus» (K.Zeiss), «Axioskop» (K.Zeiss), «Jenoval» (K.Zeiss) при увеличении окуляра 15х и объектива 20х, 40х, ЮОх. Фотографирование осуществляли с помощью видеоадаптера «Canon» и программ визуализации изображения «Zoombrowser» и «AxioVision». Математическую обработку результатов проводили в соответствии с известными рекомендациями (Плохинский, 1970; Зайцев, 1984).

Глава 3. ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФАКУЛЬТАТИВНО АПОМИКТИЧНЫХ ВИДОВ МЯТЛИКОВ

Изучение особенностей и закономерностей реализации разных способов репродукции (апомиксиса и амфимиксиса) в пределах одного растения и популяции в целом явилось основной целью первого раздела диссертационной работы. Применение ускоренных методов исследования способствовало выявлению широкого спектра нарушений развития репродуктивных структур апомиктичных злаков. Их анализ важен для понимания механизмов процессов, происходящих в ходе онтогенеза, а также для определения основных направлений и возможных пределов изменчивости репродуктивных структур (гаметофитов, гамет, зародыша и эндосперма).

3.1. Микроспорогенез и структура мужского гамегофита

Специфика процесса мшгроспорогенеза у изученных апомиктичных видообразцов мятликов заключается в возможности формирования в одном пыльнике микроспор с разным уровнем плоидности: гаплоидных, анеуплоидных и диплоидных. К анеуплоидии приводят отставания отдельных хромосом в первом или во втором делении мейоза, к нередукции - различные нарушения расхождения хромосом и цитокинеза. Установлено три механизма образования диплоидных микроспор. Во-первых, нередукция может осуществляться за счет выпадения второго деления мейоза в одной из клеток диады микроспор. В результате вместо тетрады формируются триады с двумя гаплоидными и одной диплоидной клеткой (P. badensis - 1,6%; P. compressa — 1,3%; P. chaixii - 1,9%; Р. pratensis - 4,1%). Во-вторых, у P. compressa и Р. pratensis образование диплоидных микроспор также происходило за счет движения хромосом к одному полюсу клетки ь анафазе I или II. Клеточная перегородка при этом закладывалась в зоне экватора, вследствие чего одна из клеток оказывалась безъядерной, а другая содержала нередуцированное число хромосом. Этот способ нередукции описан у апомиктичных видов впервые. И, наконец, диплоидные микроспоры формировались за счет слияния ядер в двухъядерных клетках. Их образование, как правило, являлось результатом выпадения цитокинеза в телофазе II. Кроме того, у Р. pratensis наблюдали случаи, когда в анафазе II хромосомы двигались к одному полюсу клетки двумя отдельными группами и формировали два дочерних ядра. Заложение клеточной перегородки в зоне экватора приводило к образованию безъядерной и двухъядерной клеток.

В зрелых пыльниках, наряду с нормальной трехклеточной пыльцой, встречались микрогаметофиты с четырьмя спермиями (Р. badensis - 7,4%, Р. chaixii - 9,4%, P. compressa - 7,4%, Р. pratensis - 1,6%). Это указывает на то, что ядра в двухъядерных микроспорах могут не только сливаться, но и делиться независимо друг от друга.

В среднем около 50% пыльцевых зерен в пыльниках изученных растений отклонялись от нормы по своему размеру и/или выполненности цитоплазмы. Коэффициент вариации (CV) диаметра пыльцевых зерен в пределах одного пыльника у всех видообразцов превышал 15%. Крупные пыльцевые зерна иногда в несколько раз превосходили по размеру самые мелкие. Морфометрические различия начинали проявляться на стадии микроспор, но наиболее выражены были в зрелой пыльце. Принимая во внимание известный факт корреляции размера клеток с плоидностью ядра, можно предположить, что в мелких и крупных выполненных пыльцевых зернах количество хромосом меньше или больше гаплоидного числа. Результаты сравнительного анализа частоты аномалий в первом делении мейоза с количеством нежизнеспособной (пустой или с плазмолизом) пыльцы в пыльниках указывают на то, что большая часть негаплоидных микроспор не дегенерирует, а дает начало жизнеспособным пыльцевым зернам. У Р. pratensis при средней частоте нарушений расхождения хромосом в первом делении мейоза 8,8% количество

дегенерировавших пыльцевых зерен должно составлять не менее 35,2%, поскольку из одной материнской клетки микроспор образуется четыре микроспоры. Однако в изученной выборке количество нежизнеспособной пыльцы оказалась равной всего лишь 5,5%, что достоверно ниже теоретически ожидаемого значения (Р=0,05). Это возможно только в том случае, если большая часть анеуплоидныл и диплоидных пыльцевых зерен останется жизнеспособной. Образование значительного количества негаплоидных пыльцевых зерен может оказать существенное влияние на генотипическую структуру популяции. Оплодотворение яйцеклеток редуцированных и нередуцированных зародышевых мешков диплоидными и анеуплоидными спермиями будет способствовать смене уровня плоидности и увеличению генетической гетерогенности потомства. Образование у одного и того же растения наряду с гаплоидной пыльцой диплоидных микрогаметофитов присуще не только исследованным видообразцам. Ранее такие случаи были зарегистрированы у ряда апомиктичных видов злаков и представителей других семейств (Van Breukelen, 1982; Parrot et al., 1985; Tavoletii et al., 1991; Pagliarini et al., 1999; Mokadem et al., 2002; Bielig, Mariani, Bercling, 2003; Risso-Pascotto, Mendes-Bonato, 2003). Это дает основания отнести феномен образования в одном пыльнике пыльцевых зерен с разным уровнем плоидности, к числу специфических эмбриологических признаков, сопутствующих апомиктичному способу репродукции.

Процессы микроспоро- и микрогаметофитогенеза в пределах одного пыльника у мятликов протекали асинхронно. Мейоциты могли находиться на разных стадиях деления: от профазы I до телофазы II. В зрелых пыльниках, наряду с трехклеточными пыльцевыми зернами, встречались одноядерные, двухъядерные и двухклеточные. Поскольку онтогенез мужских гамет сопровождается изменением их формы и размера (Грати, 1971; Нокс, 1990), то присутствие в пыльниках пыльцевых зерен с округлыми, овальными и веретеновидными спермиями также может быть результатом десинхроиизации процесса микрогаметофитогенеза.

3.2. Мегаспорогенез и мегагаметофитогенез

Нередуцированные зародышевые мешки у P. chalxii, P. compressa и Р. pratensis развиваются из соматических клеток нуцеллуса в результате трех митотических делений (апоархеспория Poa(Hieracium)--rana). Мейоциты либо дегенерируют, либо дают начало эуспорическим зародышевым мешкам, развитие которых проходит параллельно с развитием одного или нескольких апоархеспорических мегагаметофитов. Около 30% зрелых семязачатков содержат от 2 до 5 зародышевых мешков.

'Терминология типов апомиксиса приводится в соответствии с классификацией Н.А.Шишкинской (1991), согласно которой выделяются три типа формирования женских гаметофитав с нередуцированным числом хромосом: апоархеспория - из соматической клетки нуцеллуса; апоспория - из материнской клетки мегаспор; диплоспория - из нередуцированной мегаспоры.

Наряду с формированием эуспорических и апоархеспорических мегагаметофитов, у Р. pratensis в нескольких семязачатках было зарегистрировано развитие зародышевого мешка из материнской клетки мегаспор (апоспория Antennaria-типа). Разные варианты развития нередуцированного женского гаметофита встречались также у P. badensis. У этого видообразца в подавляющем большинстве семязачатков зародышевые мешки формировались из халазальнои клетки диады мегаспор (диплоспория Taraxacum-типа). В то же время в единичных случаях рядом с диадой и тетрадой мегаспор были обнаружены крупные клетки, морфология которых соответствовала инициальным клеткам апоархеспорических зародышевых мешков. Только 2,5% семязачатков у Р. badensis содержали сдвоенные зародышевые мешки. Формирование более двух зародышевых мешков в одном семязачатке не наблюдалось.

Структура зрелых женских гаметофитов у всех видообразцов характеризовалась широким спектром изменчивости. Наряду с редуцированными и нередуцированными зародышевыми мешками нормального строения (восьмиядерными, семиклеточными) встречались мегагаметофиты с нетипичной структурой. Среди атипичных зародышевых мешков преобладали мегагаметофиты с яйцеклеткоподобными синергидами (Р. badensis - 0,1%; P. àhaixii - 6,1%; P. compressa - 5,5%; Р. pratensis - 4,4%) и дополнительными полярными ядрами (0,3; 6,3; 4,2 и 3,8%, соответственно). С более низкой частотой формировались зародышевые мешки с недифференцированным яйцевым аппаратом и неполным комплектом элементов (без синергид или антипод). У Р. pratensis в единичных мегагаметофитах обнаружены яйцеклеткоподобные антиподы. Кроме того, у P. chaixii и Р. pratensis зарегистрированы уникальные случаи образования вместо одной из антипод дополнительного зародышевого мешка. В некоторых зародышевых мешках наблюдалось сочетание разных гаметофитпых аномалий. Основными причинами образования мегагаметофитов с атипичной структурой являются:

1) преждевременное начало процесса дифференциации клеток в зародышевых мешках, не прошедших все циклы митотических делений;

2) нарушение локализации ядер в ценоцитном зародышевом мешке, приводящее к смене направления дифференциации его элементов (трансдетерминации).

Вследствие десинхронизации митозов или выпадения делений в некоторых недифференцированных зародышевых мешках присутствовало нестандартное количество (3, 5, 6, 7) ядер. Недостаток ядер приводил в дальнейшем к отсутствию какого-либо элемента в зрелом зародышевом мешке. Чаще всего встречались мегагаметофиты без антипод, так как именно в халазалытом районе наблюдалась нехватка ядер или их полное отсутствие. Ценоцитные зародышевые мешки, у которых ядра располагались в микропиляриой части, были зарегистрированы у Р. badensis (0,4%), Р. chaixii (1,9%), P. compressa (0,9%) и Р. pratensis (3,9%). В зрелых цветках практически с той же частотой (0,5; 1,6; 1,2 и 2,2%, соответственно) встречались гаметофиты без антипод.

В большинстве атипичных мегагаметофитов количество ядер соответствовало норме, но их локализация была необычной для ценоцитных стадий. Наряду с биполярными зародышевыми мешками встречались: 1) аполярные с центральным расположением ядер; 2) униполярные, ядра которых были сосредоточены на одном конце клетки; 3) полиполярные с локализацией ядер на трех или четырех полюсах. Нарушение поляризации может привести к попаданию ядра в нехарактерную для него зону. Изменение позиционной информации в свою очередь делает возможным трансдетерминацию, т. е. переопределение направления развития элементов зародышевого мешка.

В современной теории онтогенеза позиционной информации отводится ведущая роль в определении пути дифференциации клеток (Корочкин, 1999). Результаты сравнительного анализа атипичных зародышевых мешков на разных стадиях развития позволяют определить локализацию зон дифференциации в мегагаметофите. Среди более чем 4000 проанализированных зародышевых мешков не было зарегистрировано ни одного достоверного случая образования дополнительного полярного ядра за счет ядер «синергид», тогда как женские гаметофиты с дополнительными яйцеклетками вместо синергид встречались у всех видообразцов. В то же время среди сформированных зародышевых мешков обнаружены восьмиядерные мегагаметофиты с тремя полярными ядрами, трехклеточным яйцевым аппаратом и двумя антиподами, что указывает на образование дополнительного полярного ядра за счет одной из «антипод». Если ядра ценоцитного зародышевого мешка в результате аномальной поляризации оставались в центре клетки, они все дифференцировались по типу полярных ядер. Выявленные закономерности в изменении направления развития ядер ценоцитного зародышевого мешка указывают на то, что зоны дифференциации в нем располагаются линейно одна над другой: в халазальной области зона антипод, за ней зона центральной клетки, затем зона яйцеклетки, и, наконец, зона синергид (рис. 1).

В случае нарушения поляризации при данном расположении зон ядра синергид имеют больше шансов попасть в зону яйцеклетки и дать начало дополнительной гамете, а ядра антипод - в зону центральной клетки, что приведет к образованию добавочного полярного ядра. Аналогичная модель линейного расположения зон дифференциации предлагалась Н.Х. Еналеевой (2002) для объяснения модификационной изменчивости структуры мегагаметофитов табака, обусловленной экстремальными температурами. Не исключено, что такое зональное деление цитоплазмы ценоцитного восьмиядерного зародышевого мешка носит универсальный характер.

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 недифференцчрсванного яйцевого аппарата и формирование яйцеклеткоподобных ангипод. Яйцевой аппарат может остаться недифференцированным при отсутствии в микропилярном районе

необходимых морфогенетических детерминантов, а нарушение их распределения в зародышевом мешке с типичным расположением ядер может стать причиной образования яйцеклеткоподобных антипод.

У злаков антиподы в процессе своего развития способны митотически делиться и, следовательно, в отличие от других клеток женского гаметофята, 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.

■ ! РИРР 1

зона синергид; зона яйцеклетки; зона центральной клетки; зона антипод

Рис. 1. Возможные варианты формирования зародышевых мешков о типичной и атипичной структурой: 1 - развитие зародышевого мешка нормального строения; 2 - формирование трех полярных ядер за счет «антиподы»; 3 - образование дополнительной яйцеклетки за счет «синергиды»; 4 - развитие зародышевого мешка без антипод

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 (Р. badensis - 42±16%, Р. chaixii - 34±7%, Р. comressa - 25±6%, Р. 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 Р. pratensis и Р. 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 пленениями, 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

партсногенетически, 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.

При образовании в одном семязачатке нескольких мегагаметофитов оплодотворение центральной клетки происходило или во всех, или только в одном из них. В первом случае на клеточной стадии эндоспермы соседних мегагаметофитов сливались, образуя одну общую структуру. Во втором -центральная клетка неоплодотворенного зародышевого мешка дегенерировала. Зародыш при этом оставался жизнеспособным, и через некоторое время оказывался окруженным растущим эндоспермом соседнего зародышевого мешка. Таким образом, для развития нормальных зародышей вполне достаточно формирования полноценного эндосперма только в одном из множественных мегагаметофитов.

У части зрелых семян (4-5%) 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 Зм: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 (2п+2п) одним гаплоидным спермием (4м: 1 о) или в случае автономного развития центральной клетки (2м:0о).

Возможность спорадического образования автономного эндосперма у Р. 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 змбрио- 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 пыльцевой трубки 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 Р. 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, Р. 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.

Система семенной репродукции исследованных мятликов характеризуется поливариантностью всех ключевых этапов эмбриологического развития. Мегаспорогенез и мегагаметофитогенез могут осуществляться по пути формирования зародышевого мешка либо с редуцированным числом хромосом (эуспория), либо с нередуцированным (апомейоз). Кроме того, у Р. badensis и Р. pratensis возможны разные способы образования нередуцированного зародышевого мешка. Аналогичная ситуация наблюдается и в мужской генеративной сфере, где также возможно формирование двух типов пыльцевых зерен: редуцированных и нередуцированных, и также существует несколько механизмов нередукции. Яйцеклетка может развиваться в результате оплодотворения или партеногенетически, эндосперм — либо автономно, либо в результате оплодотворения центральной клетки, причем вариантов ее оплодотворения может быть несколько. В ходе эмбриологического развития разные варианты ключевых этапов могут по разному комбинироваться друг с другом, что создает поливариантность путей формирования семян у одного и того же растения.

Глава 4. ПОПУЛЩИОННО-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).

Список исследованных видообращов злаков

Место Способ

обитания Вид репродукции**

популяции

Камчатка Agrostis clavata Trin.*3 П

Agrostis scabra Willd. *3 П

Beckmannia syzigachne (Steud.) Fem. *3 п

Bromopsis pumpelliana (Scribn.) Holub *3 п

Calamagrostis langsdorfii (Link) Trin. *3 II

Elymus mutabilis (Drob.) Tzvel. (2 популяции) *3 п

Festuca rubra L. (2 популяции) *3 ФА

ШегосМоё glabra Trin. (2 популяции) *3 ФА

Glyceria lithuanica (Gorski) Gorski*3 п

Leymus mollis (Trin.) Hara*3 п

Mélica nutans L. *3 п

Milium effusum L. *3 п

Phalaroides arundinacea (L.) Rausch. *3 п

Phleum alpinum L. *3 п

Poa annua L. *2,3 п

Poa angustí folia L. *z'3 ФА

Poa pratensis L. * A 3 ФА

Poa macrocalyx Trautv. et Mey. *2'3 ФА

Poa malacantha Kom. * A 3 ФА

Poa nemoralis L. *2'3 ФА

Poa radula Franch. et Savat. *3 ФА

Poa sublanata Reverá. *3 ФА

Приполярный Alopecurus pratensis L. *3 П

Урал Alopecurus alpinus Sm. П

Deschampsia glauca Hartman п

Elymus caninus L. п

Elymus mutabilis (Drob.) Tzvel. п

Mélica nutans L. *3 п

Festuca rubra L. *' ФА

Poa angustífolia L. * J ФА

Poa pratensis L. *3 ФА

Продолжение таблицы.

Место обитания популяции Вид Способ репродукции**

Нижнее Поволжье Agropyron desertorum (Fisch ex Link) Schult. П

Agropyron pectiniforme Roem. ex Schult. П

Agrostis alba L. ФА

Alopecurus pratensis L. П

Beckmamia eruciformis (L.) Hos t П

Bromus japonicus Thunb. П

Bromus squarrosus L. п

Colpodium humile (Bieb.) Griseb. п

Dactylis glomerata L. п

Digitada 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

Нижнее Поволжье Festuca valesiaca Gaud. (2 популяции) *3 ФА

Hierochloe repens (Host) Beauv. ФА

Koeleria sabuletorum (Domin) Klok. *1,3 ФА

Koeleria cristata (1.) Pers. ФА

Mélica nutans L. п

Phleum phleoides (L.) Karst. П

Phleum pratense L. П

Poa angustifolia L. (4 популяции) ФА

Poa annua L. (2 популяции) П

Poa bulbosa L. ФА

Poa pratensis L. (2 популяции) ФА

Poa nemoralis L. ФА

Poa compressa h. (2 попутяции) ФА

Setaria verticillata (L.) Beauv. П

■Setaria viridis (L.) Beauv. П

Якутия Agrostis borealis Hartm. П

Alopecurus anindinacea*J П

Calamagrostis langsdorfii (Link) Trin. П

Elymus jacutensis (Drob.) Tzvel. *3 П

Festuca rubra L. *3 П

Poa angustifolia L. *3 ФА

Poa annua L. *3 П

Poa glauca Vahl * J ФА

Trisetum sibiricum Rupr. П

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

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 Mélica nutans (СДП=67,8%). Лишь у половины из изученных популяций СДП растений не достигала величины 11,7%, которая в соответствии с антморфологическим методом разграничивает половые и апомиктичные формы по показателю «качество пыльцы» (Куприянов, 1983). Снижение качества пыльцы растений в половых популяциях могло быть вызвано несколькими причинами. Во-первых, как показал анализ состояния женской половой сферы, ряд видообразцов был зафиксирован в завершающий период цветения, когда прошло оплодотворение, и начался естественный процесс отмирания пыльцы (Mélica nutans, Alopecurus pratensis и др.). Во-вторых, причиной высокой СДП мог стать переход популяции на вегетативное размножение, сопровождающийся подавлением семенной репродукции. На это, в частности, указывал высокий уровень дегенеративных процессов в женской генеративной сфере, например, у Glyceria lithuanica. И, в-третьих, к снижению качества пыльцы могла приводить полиплоидность отдельных растений в некоторых популяциях (Bromopsis variegata, Milium vernalé), о чем свидетельствовало присутствие нескольких ядрышек в ядрах элементов мегагаметофита. Несмотря на разные значения СДП, пыльца всех изученных половых форм была однородной по размеру.

Подавляющее большинство половых популяций характеризовались полным отсутствием аномалий в строении зародышевых мешков. Только у растений четырех видообразцов, включенных в группу амфимиктов на основании регистрации двойного оплодотворения в подавляющем большинстве семязачатков, зарегистрировано формирование мегагаметофитов с яйцеклеткоподобными синергидами (Alopecurus pratensis - 0,7%; Mélica 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 изучения вопросов, связанных с апогаметией, полиэмбрионией и редуцированным партеногенезом.

Процесс оплодотворения растений 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:

Ne = 2(JVp+2),

где Ne- число ядер эндосперма, Np- количество клеток проэмбрио.

8 g

к u

-в"

в ■ ■

lllflll I.I llllllll III ■1 .il. íi.iil

половые популяции

апомиктичные популяции

Рис. 2. Качество пыльцы растений апомиктичных и половых популяций злаков: 1 - Agropyron desertorum; 1 - A. pectiniforme; 3 - Agrostis clavata; 4 - A. scabra; 5 - Alopecurus pratensis; 6 - A. pratensis; 7 -Bechnannia 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 - Mélica nutans; 31 - Milium effusum; 32 Pkalaroides 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. macrocatyx; 63 - P. malacantha; 64, 65 - P. nemoralis; 66-68 - P. pratensis; 69 - P. radula; 70 - P. sublanata

Глобулярному проэмбрио, как правило, соответствовал эндосперм, состоящий из более чем 70 ядер. Нарушений процессов эмбрио- и эндоспермогенеза зарегистрировано не было.

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 р. нарушений постсингамных процессов.

4.2. 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 (2п>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, Hierochloe, Koeleria и Poa. Принадлежность подавляющего большинства выявленных апомиктичных видов к родам Festuca, Hierochloe 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.).

4.2.1. Качество пыльцы растений апомиктичных популяций злаков

Средняя степень дефектности пыльцы растений апомиктичных популяций варьировала от 15% у Festuca valesiaca до более чем 90% у Роа glauca и Hierochloe' 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 апомиктов и амфимиктов, осложняя диагностику

способа репродукции. В то же время при совпадении количественных показателей СДП у растений половых и апомиктичных популяций, морфометрические характеристики пыльцы всегда были разными. Выявленные у апомиктичных мятликов вариабельность диаметра пыльцевых зерен и асинхронность их развития в пределах одного пыльника оказались универсальными признаками, характерными для всех без исключения апомиктичных злаков. В отличие от апомиктов у половых видов пыльца всегда была однородна по размеру и находилась на одной стадии развития.

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.

4.2.2. Особенности развития женской генеративной сферы у растений апомиктичных популяций злаков

В ходе исследования женской генеративной сферы эмбриологические признаки апомиксиса были обнаружены у растений 8 популяций 3 видов овсяниц (Festuca gigantea, F. rubra, F. valesiaca). Анализ семязачатков F. gigantea, находящихся на ранних стадиях развития показал, что для этого видообразца характерна диплоспория Тагахасит-типа, при которой материнская клетка мегаспор претерпевает первое деление мейоза, после чего микропилярная клетка диады мегаспор дегенерирует, а халазальная клетка дает начало нередуцированному зародышевому мешку. В семязачатках всегда развивался один мегагаметофит.

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

У Р. nemoralis в семязачатках всегда формировался лишь один женский гаметофит. Анализ ранних стадий мегагаметофитогенеза показал, что исследованные нами видообразцы, как и ранее изученные популяции этого вида, характеризуются диплоспорией Taraxacum-типа (Nygren, 1954; Кордюм, 1970; Naumova et al., 1999).

Независимо от способа развития зародышевого мешка у растений всех исследованных популяций мятликов отмечен преждевременный эмбриогенез. Партеногенетическое развитие яйцеклетки начиналось до проникновения к зародышевый мешок пыльцевой трубки. В результате подавляющее большинство женских гаметофитов к моменту опыления содержит проэмбрио при неслившихся полярных ядрах. Как правило, развитие зародыша проходит в соответствии с типом Graminad. В то же время у Р. glauca, Р. macrocalyx и Р. pratensis встречались проэмбрио с нетипичным положением межклеточных перегородо;с 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 свидетельствуют о том. что у мятликов имеет место псевдогамия. Как и у изученных видообразцов из коллекции Ботанического сада Саратовского госуниверситета, растения дикорастущих популяций характеризовались поливариантностью процесса оплодотворения центральной клетки. В разных зародышевых мешках одного и того же растения оно могло происходить с участием разного количества полярных ядер и спермиев.

На факультативный характер апомиксиса у мятликов указывают зарегистрированные случаи двойного оплодотворения. В отличие от апомихтичных представителей рода Festuca, мегагаметофиты с зиготами были единичными, и в популяциях всегда доминировали зародышевые мешки с партсногенетическим 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, зафиксированных на стадии мегагаметофитогенеза (P. angustifolia, P. macrocalyx, Р. 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 Роа, была свойственна также изученным популяциям Hierochloë glabra, H. repens, Koeleria cristata и К. sabuletorum. У H. glabra частота формирования множественных мегагаметофитов составила в одной из популяций 5,7%, а в другой - 8,6%. У H. repens и К. 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 К. 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 рядом с крупной яйцеклеткой нередко располагались 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 А. alba указывают на диплоспорию Тагахасиш-типа и псевдогамию.

У четырех апомиктичных видов (F. rubra, P. angustifolia, P. nemoralis, Р. pratensis) были проанализированы популяции из разных мест обитания. У F. rubra все популяции, как из одного региона, так и из разных, достоверно отличались друг от друга по частоте формирования зародышевых мешков с атипичной структурой (рис. 3). В то же время у апомиктичных видов мятликов наблюдалась совершенно иная ситуация. У Р. nemoralis и Р. pratensis популяции с Камчатского полуострова и Нижнего Поволжья имели практически одинаковое количество мегагаметофитов атипичного строения (рис. 4). У Р. angustifolia не обнаружено достоверных отличий по частоте формирования аномальных зародышевых мешков у видообразцов, собранных на Камчатке, в Якутии, Приполярном Урале и Нижнем Поволжье. Однако отдельные популяции этого вида, обитающие в разных районах Саратовской области, значительно отличались друг от друга по уровню гаметофитных аномалий (рис. 5).

зо

22,9

§ .50

а ©^

38,8

—22,9

□ Камчатка В Приполярный Урал И Нижнее Поволжье

□ побережье Тихого океана Ш окрестности г.Ели зово

Рис. 3. Частота гаметофитных аномалий у видообразцов F. rubro: а - из разных регионов России; б - из Елпзовского района Камчатскойобласти

~77Г

7,1

10 в" ^

S 6

oj ^ %

□ Камчатка Ш1 Нижнее Поволжье

2 Ö

2,6

äüä

□ Камчатка Ш1 Нижнее Поволжье

а б

Рис. 4. Частота гаметофитных аномалий у видообразцов Р. pratensis (а) и Р. nemoralis {б), собранных в разных регионах России

3 .о

в ^

-4-М-

9.4 9,6 т

□ Камчатка 0 Приполярный Урал D Якутия

9 Нижнее Поволжье а

ООзинский р-н И Базарнокарабулакский р-н Ш Хвалынский р-н ■ окрестности г.Саратова

Рис. 5. Частота гаметофитных аномалий у видообразцов Р. ащш'.'/оНа'. а- из разных регионов России; б - из разных районов Саратовской области

Полученные данные свидетельствует в пользу того, что частота гаметофитных аномалий у апомиктов, может не зависеть от факторов внешней среды, и достоверные различия по этому показателю у разных популяций одного вида из одного региона (рис. 36, 46), скорее всего, обусловлены разной генотипической структурой самих популяций. От условий произрастания растений не зависит также характер проявления апомиксиса и сопутствующих ему эмбриологических признаков. Популяции одного вида характеризовались одним доминирующим типом развития мегагаметофита и эндосперма, соотношением темпов эмбрио- и эндоспермогенеза, одним спектром гаметофитных аномалий.

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.

Асинхронность эмбриологических процессов у апомиктов присутствует на всех уровнях: от семязачатка до популяции. Если в половых популяциях дикорастущих злаков растения, зафиксированные в один срок, обычно находились либо на одной, либо на близких стадиях развития, то у апомиктов такого не наблюдалось. Даже у одного и того же растения эмбриологические процессы могли быть настолько десинхронизированы, что в одних семязачатках присутствовали материнские клетки мегаспор, а в других -зародыш и клеточный эндосперм. У апоархеспорических видов в случае формирования внутри одного семязачатка нескольких зародышевых мешков, эмбриологические процессы в них также проходили асинхронно. У всех апомиктов, как апоархеспорических, так и диплоспорических, в пыльниках наряду со зрелыми пыльцевыми зернами встречались одноядерные и двухклеточные.

Все изученные видообразцы оказались факультативно апомиктичными. Даже у популяций, где частота встречаемости семязачатков с партеногенетическим проэмбрио приближалась к 100%, у всех исследованных растений были зарегистрированы случаи двойного оплодотворения или зародышевые мешки с таким соотношением стадий развития зародыша и эндосперма, которое наблюдается при половом типе репродукции. Как и у мятликов из коллекции Ботанического сада Саратовского госуниверситета, у других видов злаков программа эмбриологического развития носила поливариантный характер, который выражался в способности одного и того же растения производить и апомиктичное, и половое потомство, а также в разнообразии путей реализации ключевых эмбриологических процессов.

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

Глава 5. ЦИТОЭМБРИОЛОГИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКА СИСТЕМЫ СЕМЕННОЙ РЕПРОДУКЦИИ АПОМИКТИЧНЫХ ЗЛАКОВ (обсуждение результатов)

5.1. Поливариактность эмбриологических процессов при факультативном апомиксисе у злаков

Ключевыми элементами программы эмбриологического развития покрытосеменных растений являются процессы формирования зародышевого

мешка, зародыша и эндосперма. При амфимиксисе - это эуспория, сингамия и тройное слияние, при апомиксисе - апомейоз, партеногенез и автономное развитие эндосперма (рис.6).

Половой путь развития

Апомиктичный путь ра звития

спорогенез

апомейоз

сингамия

партеногенез

тройное слияние

автономное

развитие эндосперма

Рис. 6. Элементы полового и апомр ктичного пути развития и их взаимосвязь (пунктиром указан путь развития при псевдогамии)

У цветковых растений апомиксис, как правило, носит факультативный характер. Сведения об облигатных формах не многочисленны и неоднозначны (Ноглер, 1990; СгарИс, 2000). В настоящее время многие исследователи склоняются к мнению о том, что облигатных апомиктов в природе не существует. Однако, традиционно говоря о факультативно апомиктичных популяциях, чаще всего подразумевают, что одни растения в них половые, а другие - апомиктичные, либо эти способы репродукции при определенных условиях сменяют друг друга. Реже указывается на возможность сочетания апсмиксиса и амфимиксиса в пределах одного растения, когда в одних семязачатках зародыши развиваются партеногенетически, а в других происходит оплодотворение.

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 халазалыюй 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 апомиктичпый 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 свидетельствуют 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 Р. 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 X ananassa (2n=8x=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 вармитов 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 Р. pratensis в отсутствии опыления. У Hierochloä glabra, напротив, в части зародышевых мешков зарегистрировано оплодотворение полярных ядер, тогда как в подавляющем большинстве из них эндосперм развивался 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.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что в основе всех вышеперечисленных особенностей лежит преждевременное начало отдельных стадий эмбриологических процессов, вследствие чего предыдущие стадии остаются незавершенными или полностью выпадают из цикла развития. Полное выпадение таких ключевых стадий, как спорогенез, оплодотворение и тройное слияние, приводит к переходу с половой программы развития на апомиктичную, а исключение отдельных стадий - к комбинации элементов апомиксиса и амфимиксиса в ходе индивидуального развития организма.

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.

Характерные для апомикгов аномалии микроспорогенеза - формирование однополюсных веретен и двухъядерных микроспор, также являются результатом незавершенности отдельных этапов этого процесса. Двухъядерныс микроспоры образуются вследствие выпадения цитокинеза. Построение однополюсных веретен, как ранее было показано на гибридных формах злаков,

может происходить из-за блокады процесса формирования кинегохорных микротрубочек в прометафазе (Серюкова и др., 2003). Специфика аномалий мужских и женских гаметофитов указывает на то, что их появление связано с функционированием цитоскелета, и эта связь, несомненно, требует дальнейшего исследования.

Нарушение последовательности эмбриологических стадий и процессов у апомиктичных видов 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 ah, 2003; Perotti et ah, 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.

5.2. Гаметофитные аномалии как индикаторы апомиктичного способа репродукции

В ранних работах по эмбриологии апомиксиса значительное место занимало описание нарушений процессов микроспоро- и микрогаметофитогенеза, . в то время как аномалии развития женской генеративной сферы зачастую игнорировали как случайные и несущественные. Только после того, как эмбриологи стали активнее использовать в своих исследованиях ускоренные методы, позволяющие анализировать значительный объем материала, все очевидней становился факт, что формирование зародышевых мешков с атипичной структурой является характерной особенностью апомиктичных видов. Принимая во внимание специфическое проявление некоторых аномалий у апомиктов, С.С.Хохлов (1978) первым предложил включить их в список цитоэмбриологических признахов апомиксиса. Позднее у ряда апомиктичных видов была описана асинхронность эмбриологических процессов и повышенная частота образования зародышевых мешков с «яйцеклеткоподобными» синергидами и антиподами (Shishkinskaya, 1991; Еналеева, Тырнов, 1994; Солнцева, 1999; Камелина, 2000; Solntseva, 2007). Результаты сравнительного популяционно-эмбриологического анализа половых и апомиктичных злаков позволяют расшить возможности диагностики апомиктов на эмбриологическом уровне. К числу признаков, которые могут косвенно указывать на апомиктичный способ репродукции, следует отнести:

морфологическую неоднородность пыльцы связанную с варьированием размера . пыльцевых зерен и количества спермиев в них, развитие «антиподальных» зародышевых мешков, формирование семян с проэмбрио без эндосперма и с проэмбрио и аномальным (малоклеточным или мозаичным) эндоспермом. Признаки, касающиеся строения семян, также могут использоваться в селекционно-генетических и биотехнологических работах при отборе на апомиксис.

Среди эмбриологических признаков агюмиксиса 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, V/estoby, 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 пе 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 антиподалыюго 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).

He 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 получит 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 длу, 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, па 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).

5.3. Место апомиксиса в системе семенной репродукции дикорастущих злаков

Семейство Роасеае лидирует среди других семейств покрытосеменных растений по количеству апомиктичных родов и видов (Carman, 1995, 1997). Результаты проведенного цитоэмбриологического исследования природных популяций пополняют список апомиктов еще на семь видов (Agrostis alba, Hierochloa glabra, H. repens, Koeleria cristata, Poa badensis, P. chaixii, P. sublanata). Однако даже самый полный список апомиктичных видов и родов не может в должной мере отразить широту распространения апомиктов в природе. Необходимо решить еще одну задачу - определить роль апомиктичных форм, в сложении фитоценозов и растительного покрова.

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. angustifoUa 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 Р. 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).

66.7 66,7

Камчатка Приполярный Урал Нижнее Поволжье Якутия

И амфимнктичные виды Ш апомиктичные виды' Рис. 6. Встречаемость половых и апомиктичных видов в изученных выборках злаков

Подавляющее большинство апомиктичных видов, выявленных на изученных территориях, принадлежат к родам Роа 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 (Цвелсв, 1976). К

числу доминантных видов относятся и представители других родов, в которых широко распространен апомиксис. Так, виды рода ВоЛгюсЫоа доминируют в степях южных районов Евразии, Вои1е1оиа, СЫош, ВисЫое - в прериях Северной Америки, СоПас1епа - 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 ареапу.

Широкое распространение апомиктичных видов злаков в разных климатических и географических зонах, преобладание среди них ценозообразователей и эдификаторов растительных сообществ указывают на их высокие адаптивные способности. Эти способности определяются как генотипической структурой апомиктов (высокой плоидностью, гибридогенной прпродой), так и лабильностью системы семенной репродукции и адаптивным потенциалом гаметофитной изменчивости. Присущая апомиктичным формам поливариантность эмбриологических процессов позволяет им одновременно реализовывать апомиксис и амфимиксис, переходить с одного способа репродукции на другой, эффективно ' используя для эволюционного преобразования и адаптации преимущества как апомиксиса. так и амфимиксиса. Формирование дублирующих эмбриологических структур (дополнительных гамет и мегагаметофитов) создают возможности для повышения семенной продуктивности популяции. Все это позволяет апомиктичным формам успешно конкурировать с остальными видами локальной экосистемы, осуществлять экспансию новых территорий и, как следствие, занимать широкие ареалы.

ВЫВОДЫ

1. Специфика процесса микроспорогенеза у апомиктичных злаков заключается в возможности формирования в одном пыльнике микроспор с редуцированным и нередуцированным числом хромосом, а также в разнообразии механизмов нередукции (в результате выпадения второго деления мейоза, однонаправленного движения хромосом к полюсу клетки, слияния ядер в двухъядерных микроспорах). Следствием развития в пыльнике пыльцевых зерен с разным уровнем плоидности является ее неоднородность по размеру и выполненности.

2. Апомиктичные злаки характеризуются вариабельностью структуры женских гаметофитов: наряду с редуцированными и нередуцированными зародышевыми мешками нормального строения формируются мегагаметофиты с нетипичной структурой (с дополнительными яйцеклетками и полярными

ядрами, с неполным комплектом элементов и др.). Основными причинами их образования являются преждевременное начало процесса дифференциации в мегагаметофитах, не прошедших все циклы митотических делений, и изменение на ценоцитной стадии мегагаметофита локализации ядер, приводящее к смене направления их дальнейшего развития (трансдетерминации). Гаметофитные аномалии (вариации), как правило, нейтральны для репродуктивного процесса или имеют положительный эмбрио-генетический эффект, создавая предпосылки к разным типам полиэмбрионии.

3. Стабильное проявление у апомиктичных злаков гаметофитных аномалий позволяет использовать их в качестве диагностических признаков апомиксиса. К числу уже известных эмбриологических признаков апомиктичного способа репродукции следует отнести: асинхронность процессов микроспорогенеза и микрогаметофитогенеза в пределах одного пыльника, полигаметию, образование «антиподальных» зародышевых мешков, наличие в зрелых семенах глобулярного проэмбрио без эндосперма или в присутствии аномального эндосперма.

4. Характерной особенностью процессов эмбрио- и зпдоспермогенеза у факультативно апомиктичных злаков является их бинаправленность: вне зависимости от типа апомиксиса (автономный апомиксис или псевдогамия) у одного и того же растения зародыш и эндосперм могут развиваться как в результате оплодотворения, так и автономно. В разных мегагаметофитах одного растения образование первичного ядра эндосперма может происходить с участием разного количества полярных ядер и спермиев. При псевдогамии развитие автономного эндосперма сопровождается различными нарушениями и заканчивается дегенерацией.

5. В случае преждевременной эмбрионии, характерной для псевдогамных злаков, эмбриогенез прерывается «периодом покоя» глобулярного проэмбрио. Остановка развития проэмбрио обусловлена вынужденным ожиданием начала стадии развития эндосперма, на которой он становится способным выполнять свою формообразующую функцию по отношению к зародышу. Эта стадия наступает после достижения эндоспермом критической массы и завершения в нем процессов клеткообразования.

6. Поливариантность всех ключевых этапов эмбриологического развития у факультативно апомиктичных злаков позволяет им одновременно осуществлять на базе одного и того же генотипа апомиктичную и половую программы развития, комбинировать элементы этих программ, что создает эмбриологические предпосылки для смены уровня плоидности и увеличения генетической гетерогенности потомства.

7. Поливариантность путей формирования семени, асинхронность эмбриологических процессов и специфические нарушения развития (гаметофитные вариации) являются универсгльными особенностями эмбриологии апомиктичных злаков. Они проявляются стабильно у всех апомиктичных форм независимо от их видовой и родовой принадлежности, а также от условий обитания популяции.

8. Апомиксис не ограничивается какой-либо локальной популяцией: он встречается у растений, отдаленных друг от друга на очень большие расстояния. Разные популяции одного и того же вида характеризуются одним доминирующим типом формирования нередуцированного мегагаметофита, способом развития эндосперма, соотношением темпов эмбрио- и эндоспермогенеза, одинаковым спектром гаметофитных аномалий. Апомиктичные виды представляют большую группу в злаковом компоненте флор регионов с разными климатическими и географическими условиями.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Статьи в журналах списка ВАК РФ, рекомендованных для публикации основных материалов докторских диссертаций:

1. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Псевдогамный апомиксис у Роа chaixii Vill. // Изв. высших учеб. заведений. Поволжский регион. — 2006. - №5. — С. 277-283.

2. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности оплодотворения полярных ядер при псевдогамии у апомиктичного мятлика лугового // Вест. Сарат. агроун-та им. Н.И.Вавилова. - 2006. - № 1. - С. 30-31.

3. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности раннего эмбриогенеза у апомиктичного Роа pratensis L. // Онтогенез. - 2007. - №1. - С. 7-11.

4. Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Соотношение эмбрио- и эндоспермогенеза при псевдогамии у мятликов // Вест. Сарат. агроун-та им. Н.И.Вавилова. - 2007. - №2.-С. 18-19.

5. Юдакова О.И. Особенности микроспорогенеза у апомиктичного Роа pratensis L. (Роасеае) // Бот. журн. - 2008. - Т.93, №2. - С. 299-303.

6. Юдакова О.И., Шишкинская H.A. Особенности формирования антиподального комплекса у половых и апомиктичных злаков // Бот. журн. -2008. - Т.95, №4. - С. 299-303.

7. Юдакова О.И. Аномалии развития женского гаметофита у апомиктичных форм мятликов // Онтогенез. - 2008. - Т.40, №3. - С. 191-198.

8. Кашин A.C., Юдакова О.И., Кочанова И.С., Полянская М.В., Миндубаева А.Х. Распространение гаметофитного апомиксиса в семействах Asteraceae и Роасеае (на примере видов флоры Саратовской области) // Бот. журн. - 2009. -Т.94,№5.-С. 120-132.

Монографии:

9. Шишкинская H.A., Юдакова О.И., Тырнов B.C. Популяционная эмбриология и апомиксис у злаков. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2004. - 145 с.

10.Юдакова О.И., Шишкинская H.A. Особенности эмбриологии апомиктичных злаков. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2008. - 105 с.

Статьи в журналах и сборниках: .

П.Шишкинская H.A., Юдакова О.И. Классификация апомиксиса // Эмбриология растений: Терминология и концепции: в 3 т.- СПб: изд-во «Мир и семья», 2000. - Т.З. -С. 168-180.

12.Тырнов B.C., Шишкинская H.A., Юдакова О.И. Структурная изменчивость зрелых женских гаметофитов злаков // Докл. РАЕН. - 2000. - №2. - С. 44-48,

13.Шишкинская H.A., Юдакова О.И. Репродуктивная эмбриология дикорастущих злагов // Изв. Сарат. ун-та. Сер. Биол. -2001. - Вып. спец. -С. 166-176.

14.Юдакова О.И., Шишкинская H.A. Псевдогамия у мятликов // Репродуктивная биология, генетика и селекция. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2002.-С. 54-60.

15.Шишкинская H.A., Юдакова О.И. Новый подход к использованию антморфологического метода для диагностики апомиксиса у злаков // Бгол. Бот. сада Сарат. ун-та. - 2003. -Вып.2. - С. 180-187.

16.Шишкинская H.A., Юдакова О.И., Тырнов B.C. Полигаметия // Ботанические исследования в азиатской России: Матер. XI съезда РБО: в 2 т. - Барнаул, 2003. - Т.2. - С. 176-177.

П.Шишкинская H.A., Юдакова О.И., Тырнов B.C. Явление полигаметии у растений и его возможные эволыционно-генетические эффекты // Изв. Сарат. ун-та. - 2005. - Вып.2, Т.5. - С. 25-32.

18.Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Метаморфозы антипод при псевдогамном апомиксисе у Роаpratensis L. // Бюл. Бот. сада Сарат. ун-та. - 2005. - Вып.4. -С. 192-198.

19.Юдакова О.И., Шакина Т.Н. К вопросу о влиянии геномного импринтинга на формирование эндосперма у апомиктичных форм // Вавиловские чтения -2005: Матер, конф. Сер. Биотехнология, генетика и селекция. - Саратов: изд-во Сарат. агроун-та, 2005. - С. 59-61.

20.Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности развития партеногенетических зародышей у мятлика лугового // Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы. Матер. Междуиар. науч. конф: в 2 ч - Казань, 2006. — 4.1. -С. 138-139.

21.Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Особенности формирования эндосперма при псевдогамном апомиксисе у Роа pratensis L. // Бюл. Бот. сада Сарат. ун-та — 2006. -Вып.5,- С. 357-359.

22.Юдакова О.И., Шакина Т.Н. Формирование пыльцевых зерен разного уровня плоидности у апомиктичных мятликов // Досягнення i проблеми генетики, селекцй та бютехпологп: зб1рник наукових праць: в 2 т.- Кшв: Логос, 2007. -Т.2.-С. 217-220.

23.Шакина Т.Н., Юдакова О.И. Апомиксис у Роа badensis Haenke // Бюл. Бот. сада Сарат. ун-та. - Саратов, 2007. - Вып.6. - С. 102-104.

24.Шакина Т.Н., Юдакова О.И. Развитие зародыша и эндосперма в отсутствии опыления у Роа pratensis L. // Матер. II Междунар. школы молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология». - Уфа: изд-во УПГУ, 2007. -С. 123-124.

25.Юдакова О.И. Вариабельность эмбриологических процессов при факультативном апомиксисе у злаков // Матер. II Междунар. школы молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология». - Уфа: изд-во УПГУ, 2007. - С. 127-128.

26.Юдакова О.И. Адаптивный потенциал гаметофитный изменчивости у апомиктичных злаков // Фактори експериментально!" еволюцн организм1в: зб1рник наукових праць: в 5 т.- Ки1'в: Логос, 2008. - Т.5. - С. 49-54.

27.Кашин А.С., Юдакова О.И., Кочанова И.С., Полянскея М.В., Миндубаева А.Х. Распространение гаметофитного апомиксиса в семействах Asteraceae и Роасеае (на примере видов форы Саратовской области) // Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века: Матер. XII съезда РБО. - Петрозаводск, 2008. - С. 269-272.

28.Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Эмбриология и генетический контроль апомиксиса // Эмбриология, генетика и биотехнология: Матер. III Междунар. школы для молодых ученых. - Саратов: изд-во Сарат. ун-та, 2009.-С. 106-108.

29.Shishkinskaya N.A.,Yudakova O.I. Classification of Apomixis H Embryology of flowering Plant: Terminology and concepts. Reproductive Systems /ed. T.B.Batygina. - USA: Science Publishers, 2009. - P. 168-180.

Тезисы конференций:

30.Yudackova O.I. Cytoembryological investigation of two Elymus species (Elymus mutabilis and Elymus caninus) // IX Inter. Symp. «Embryology and seed reproduction». Abstr. - Leningrad, 1990. - P. 192.

31.Шишкинская H.A., Юдакова О.И. Эмбриология половых видов злаков // Проблемы ботаники на рубеже веков. Тез. докл. II съезда РБО. - СПб, 1998.-С. 56.

32.Шишкинская Н.А., Юдакова О.И. Популяционно-генетическяй эффект гаметофитной изменчивости // II съезд ВОГиС. Тез. докл.: в 2 т. -СПб, 2000. - Т.2. - С. 141-142.

33.Shishkinskaya N.A., Yudakova O.I. Gametophyte anomalies as indicators of apomixis // Inter. Apomixis Conf. Abstr. - Italy, 2001. - P. 108.

34,Shishkinskaya N.A., Yudakova O.I. Interrelation of apomixis and amphimixis (on example of cereals) //1 Междунар. школа для молодых ученых «Эмбриология и биотехнология». Программа и тезисы - СПб., 2005. - С. 53.

35.Yudakova O.I., Shakina T.N. Apomixis in Poa chaixii Vill. and P.badensis Haenke // III Inter. Apomixis Conf. Abstr. - Wernigerode, Germany, 2007. -P. 29.

36.Shishkinskaya N.A., Yudakova O.I. Apomixis genetic control in the light of embryological data IIXX Inter. Cong, of Genetics. Sci. Abstr.- Berlin, Germany, 2008.-P. 183-184.

Подписано в печать. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме Печать офсетная. Усл. Печ. л. 2. Тираж 100. Заказ № 206-Т. Отпечатано и типографии СГУ. 410012, Саратов, Б. Казачья, 112а тел.: (845-2) 27-33-85

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Юдакова, Ольга Ивановна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АПОМИКСИС У ПОКРЫТОСЕМЕННЫХ РАСТЕНИЙ: НЕРЕШЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ И ДИСКУССИОННЫЕ ВОПРОСЫ (обзор литературы).

1.1. Проблемы терминологии и классификации апомиксиса.

1.2. Степень распространения и формы апомиксиса у покрытосеменных растений.

1.2.1. Закономерности распределения апомиктичных видов в системе покрытосеменных растений.

1.2.2. Степень распространения и формы апомиксиса у злаков

1.2.3. Закономерности распространения апомиктичных видов во флоре.

1.3. Происхождение апомиксиса.

1.4. Роль апомиксиса в эволюции покрытосеменных растений.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ.

2.1. Материал исследования.

2.2. Физико-географическая характеристика мест сбора видообразцов злаков.

2.3. Методы исследования.

2.3.1. Диагностика способа семенной репродукции растений.

2.3.2. Методика приготовления давленых препаратов пыльников.

2.3.3. Методика приготовления глицерин-желатиновых препаратов зрелой пыльцы.

2.2.4. Определение качества пыльцы.

2.2.5. Метод приготовления препаратов просветленных семязачатков.

2.2.6. Метод выделения целых зародышевых мешков с помощью ферментативной мацерации и последующей диссекции семязачатков.

2.2.7. Метод приготовления постоянных препаратов.

Глава 3. ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

ФАКУЛЬТАТИВНО АПОМИКТИЧНЫХ ВИДОВ МЯТЛИКОВ.

3.1. Микроспорогенез и структура мужского гаметофита

3.2. Мегаспорогенез и мегагаметофитогенез.

3.3. Эмбриогенез.

3.5. Эндоспермогенез.

Глава 4. ПОПУЛЯЦИОННО-ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ АПОМИКСИСА У ДИКОРАСТУЩИХ ЗЛАКОВ.

4.1. Популяции растений с половым способом репродукции.

4.2. Популяции растений с апомиктичным способом репродукции

4.2.1. Качество пыльцы растений апомиктичных популяций злаков.

4.2.2. Особенности развития женской генеративной сферы у растений апомиктичных популяций злаков.

Глава 5. ЦИТОЭМБРИОЛОГИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКА СИСТЕМЫ СЕМЕННОЙ РЕПРОДУКЦИИ АПОМИКТИЧНЫХ ЗЛАКОВ (обсуждение результатов).

5.1. Поливариантность эмбриологических процессов при факультативном апомиксисе у злаков.

5.2. Гаметофитные аномалии как индикаторы апомиктичного способа репродукции.

5.3. Место апомиксиса в системе семенной репродукции дикорастущих злаков.

ВЫВОДЫ.

Список цитируемых источников.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Эмбриологические особенности системы семенной репродукции факультативно апомиктичных злаков"

Способность к воспроизведению является одним из фундаментальных свойств живых организмов. Эффективность системы размножения определяет не только структуру популяций и видов, но и их эволюционный потенциал. Решение важных теоретических и практических проблем биологии во многом зависит от наших знаний закономерностей, лежащих в основе процесса репродукции.

У цветковых растений формирование семян может происходить как в результате оплодотворения (амфимиксис), так и без оплодотворения (апомиксис). Апомиксис представляет собой уникальный способ репродукции растений, который позволяет копировать материнский организм, сохраняя при этом все преимущества семенного размножения. Использование его в селекционном процессе может способствовать решению ряда актуальных задач: закрепления гетерозиса и сохранения в ряду поколений элитных гибридных генотипов, создания фертильных полиплоидных и анеуплоидных форм, массового производства генетически чистых семян без использования трудоемкой изоляции и др. (Петров, 1979; Ноглер, 1990; Авкег, 1егИп& 1992; Ко1йто\у, 1998; Тырнов, 2000; 8ау1ёап, 2007). На основе такого элемента апомиксиса как редуцированный партеногенез базируются методы ускоренного получения гомозиготных и аллоплазматических линий, мутантных форм и линий стерильных аналогов (Хохлов, 1970; Тырнов, 2000). Однако отсутствие апомиксиса у сельскохозяйственных культур не позволяет в должной мере реализовать его селекционный потенциал. Создание апомиктичных форм возможно с использованием двух технологий: 1) экспериментальной индукции редуцированного и нередуцированного партеногенеза и 2) скрещивания культурных растений с их апомиктичными дикорастущими сородичами. Для успешного применения данных технологий необходимо иметь полное представление обо всех эмбриологических процессах, происходящих при апомиксисе. Несмотря на многолетние исследования в этой области, многие аспекты эмбриологии апомиктов и сегодня относятся к числу малоизученных. Это касается процессов эмбрио- и эндоспермогенеза, особенностей взаимоотношения апомиксиса и амфимиксиса на организменном, популяционном и видовом уровнях, причин и последствий гаметофитных аномалий и многого другого.

Учитывая высокую практическую значимость исследований по апомиксису, важно изучать способ репродукции особенно в тех таксономических группах, к которым принадлежат ценные сельскохозяйственные культуры (Батыгина, 1987). Объектом настоящего исследования стали представители семейства Злаки (Роасеае), поскольку они составляют основу пищевых ресурсов человека и используются в качестве главных кормовых и пастбищных культур.

Задачи исследования:

- изучить особенности и закономерности развития репродуктивных структур у апомиктичных видов злаков;

Научная новизна. Выявлены общие и специфические особенности эмбриологического развития факультативно апомиктичных злаков. Показана независимость характера проявления апомиксиса на эмбриологическом уровне у растений одного вида от условий места обитания их популяций. Установлено, что апомиктичные виды представляют большую группу в злаковом компоненте флор регионов с разными климатическими и географическими условиями. Впервые установлен факультативный апомиксис у семи видов злаков {Agrostis alba L., Hierochloe glabra Trin. s. 1., H. repens (Host) Beauv., Koeleria cristata (1.) Pers., Poa badensis Haenke, P. chaixii Vill., P. sublanata Reverd.). Описан специфический механизм нередукции в мужской генеративной сфере апомиктичных злаков за счет движения хромосом к одному полюсу клетки в анафазе первого или второго деления мейоза. Определен диапазон изменчивости структуры мужских и женских гаметофитов и установлен закономерный характер проявления гаметофитных аномалий у апомиктов. Показана поливариантность процесса оплодотворения полярных ядер в пределах одного растения при псевдогамии. Изучены морфогенетические корреляции стадий эмбрио- и эндоспермогенеза. Дано цитоэмбриологическое обоснование концепции поливариантности процесса формирования семени у факультативно апомиктичных злаков.

1, *

Научно-практическая значимость работы. Установленные закономерности эмбриологического развития факультативно апомиктичных злаков важны для дальнейшего более целенаправленного решения ряда ботанических, генетических, селекционных, биотехнологических и эволюционных проблем. Выявленные апомиктичные виды злаков могут быть использованы в качестве объектов исследования общих и специфических признаков апомиксиса, доноров признаков апомиксиса, а также исходного материала для создания апомиктичных сортов. Полученные данные расширяют возможности диагностики апомиксиса на эмбриологическом уровне. Апомиктичные злаки, обнаруженные во флоре Нижнего Поволжья, включены в уникальную коллекцию апомиктов Ботанического сада Саратовского госуниверситета. Материалы диссертации используются при чтении общего курса «Ботаника» и специальных курсов «Репродуктивная биология», «Эмбриология растений», «Современные методы селекции», «Генетика пола» в Саратовском госуниверситете.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на: XXI Международном симпозиуме «Embryology and seed reproduction» (Санкт-Петербург, 1990); II съезде РБО (Санкт-Петербург, 1998); II съезде ВОГиС (Санкт-Петербург, 2000); II Международной конференции по апомиксису (Комо, Италия, 2001); XI съезде РБО (Барнаул, 2003); Всероссийской научной конференции «Вавиловские чтения - 2005» (Саратов, 2005); I, II и III Международных школах для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Санкт-Петербург, 2005; Уфа, 2007; Саратов, 2009); Международной научной конференции «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006); Всероссийской научной конференции «Ботанические исследования в Поволжье и на Урале», посвященной 50-летию Ботанического сада Саратовского госуниверситета (Саратов, 2006); II съезде УОГиС (Алушта, Украина, 2007); III Международной конференции по апомиксису (Вернигероде, Германия, 2007); Международной конференции «Факторы экспериментальной эволюции» (Алушта, Украина, 2008); XII съезде РБО (Петрозаводск, 2008);

XX Международном генетическом конгрессе (Берлин, Германия, 2008); научных конференциях Саратовского госуниверситета (2000-2008).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 36 работ, в том числе 2 монографии и 8 статей в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Связь с государственными научными программами, участие в выполнении грантов. Часть работы выполнялась в рамках тем аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы»: «Развитие Ботанического сада Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского как центра образовательной, научно-исследовательской и инновационной деятельности», «Развитие Ботанического сада Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского как центра биотехнологии растений», «Исследование генетических и эмбриологических закономерностей полиэмбрионии у растений», «Исследование закономерностей и путей модификации полигаметии у растений».

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 240 страниц, она содержит 19 таблиц и 47 рисунков. Список литературы включает 470 источников, в том числе 320 на иностранных языках.

Информация о работе

Юдакова, Ольга Ивановна
доктора биологических наук
Саратов, 2009
ВАК 03.00.05

Диссертация

Эмбриологические особенности системы семенной репродукции факультативно апомиктичных злаков - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы