Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эмбриологические особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мешков некоторых видов рода Iris L. Limniris (Tausch) Spach

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Эмбриологические особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мешков некоторых видов рода Iris L. Limniris (Tausch) Spach"

На правах рукописи

ДОРОФЕЕВА Мария Михайловна

Эмбриологические особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мешков некоторых видов рода Iris L. подрода Limniris (Tausch) Spach

03.02.01 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

12 ДЕК 2013

Пермь -2013

005543560

005543560

Работа выполнена на кафедре ботаники и генетики растений ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Научный руководитель:

доктор биологических наук, доцент Новоселова Лариса Викторовна

Официальные оппоненты:

Шамров Иван Иванович - доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена», заведующий кафедрой ботаники

Доронькин Владимир Михайлович - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН «Центральный сибирский ботанический сад СО РАН», заведующий лабораторией систематики и флорогенетики

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в 15 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.189.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого совета.

Адрес сайта: http://www.psu.ru E-mail: shibanova7@mail.ru Факс: 8 (342) 237-16-11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Автореферат разослан 27 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Шибанова Наталья Леонидовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Род Iris L. относится к семейству Касатиковые ('Iridaceae) и включает в себя более 200 видов, распространенных в большей части Северного полушария (Родионенко, 1961; Тахтаждян, 1977). На территории России произрастает 40 видов и 2 подвида. В Красную книгу Российской Федерации (2008) включено 12 видов рода. В Красные книги регионального уровня занесено 38 видов, поскольку существует реальная угроза утраты их природного генофонда. Несмотря на большой объем рода и его широкое распространение, общепринятой системы и единого мнения по классификации рода Iris среди современных ученых до сих пор не существует. Основными причинами этого являются полиморфизм видов в природных условиях и большая роль гибридизации в эволюции рода в целом (Алексеева, 2003,2005).

В качестве надежных критериев при выяснении дискуссионных вопросов систематики, филогении и эволюции цветковых растений используются эмбриологические признаки репродуктивных органов (Поддубная-Арнольди, 1976; Кордюм, 1971, 1978; Камелина, 1980, 2011; Терехин, 1981; Шамров, 2000, 2010). Это данные об особенностях строения семязачатка, а также ряд других эмбриологических признаков — число семядолей в зародыше, типы развития зародыша и эндосперма, строение тапетума, пыльцевого зерна. Эти структуры, а также процессы их становления устойчивы, консервативны, мало зависят от изменений среды, а значит, особенно важны для целей систематики (Камелина, 1980).

При определении объема или систематического положения семейств, родов или видов необходимо принимать во внимание весь комплекс эмбриологических признаков, поскольку любой из них может иметь важное значение при проверке и установлении систематических и филогенетических взаимоотношений как между крупными, так и между более мелкими таксономическими единицами (Поддубная-Арнольди, 1930, 1958, 1976; Магешвари, 1954; Кордюм, 1971).

В роде Iris наиболее неоднородным по составу считается подрод Limniris (Макаревич, 2001; Доронькин, 2004; Wilson, 2011), объединяющий более 45 видов. Несмотря на то, что многие виды подрода Limniris активно изучаются систематиками, их репродуктивные системы остаются мало исследованы или они не изучены совсем (Кайгоро-дова, 2011). При моделировании филогенетических связей рода Iris используются такие таксономические признаки, как форма пыльцевых зерен, наличие борозд, скульптура экзины, характер поверхности мем-

браньг, поверхность дна ячеек (Доронькин, 2004). Структурам семязачатка не уделяется достаточно внимания.

Цель работы - проведение сравнительного эмбриологического анализа строения и развития семязачатков и зародышевых мешков 7 видов рода Iris, относящихся к подроду Limniris.

Объекты исследований. Объектами исследований являлись виды рода Iris L. подрода Limniris - I. setosa Pall, ex Link (серия Tripetalae (Diels) Lawrence); I. chrysographes Dykes (серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Chrysographes)-, I. sanguínea Hörnern., I. sibirica L., I. typhifolia Kitag. (серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Sibiricae); I. ensata Thunb., I. pseudacorus L. (серия Laevigatae (Diels) Lawrence).

Задачи исследований:

1. Охарактеризовать семязачатки по ключевым эмбриологическим признакам: особенности морфологического типа семязачатка, число интегументов, форма микропиле, наличие обтураторов, специфика строения нуцеллуса, наличие париетальных слоев.

2. Описать особенности мегаспорогенеза, строения и развития зародышевого мешка, начальных этапов развития зародыша и эндосперма.

3. Оценить возможность использования цитоэмбриологических признаков строения и развития семязачатков и зародышевых мешков для целей систематики и филогении.

Научная новизна. Впервые проведено цитоэмбриологическое исследование женской генеративной сферы I. setosa Pall, ex Link, I. chrysographes Dykes, I. sanguínea Hörnern., /. typhifolia Kitag., I. ensata Thunb. Получены новые сведения о развитии женской генеративной сферы I. sibirica L. и I. pseudacorus L. Установлены значения потенциальной и реальной семенной продуктивности I. sibirica L. в Пермском крае.

Теоретическое и практическое значение работы. Материалы эмбриологических исследований пополняют характеристику семейства Iridaceae и могут быть использованы для решения спорных вопросов систематики и филогении рода Iris.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены и доложены на II Московском Международном Симпозиуме по роду Ирис "Iris-2011" (Москва, 2011); на региональной студенческой научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии и экологии» (Пермь, 2012); на заседании Пермского отделения Русского ботанического общества (Пермь, 2012); на IV Международной школе для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехно-

логия» (Пермь, 2012); на XIII делегатском съезде Русского ботанического общества (Тольятти, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять работ, одна из которых - в научном издании из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Личное участие автора. В диссертации изложены результаты трехлетних исследований автора по эмбриологии видов подрода Limniris. Автор лично провел в 2011-2012 гг. сбор материалов для изучения. Цитоэмбриологический анализ материала полностью осуществлен автором. Зафиксировано около 500 завязей. За период работы изготовлено более 1500 постоянных препаратов. Анализ полученных результатов проведен автором самостоятельно. Текст иллюстрирован фотографиями и рисунками автора.

Объем и струюгура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 160 страниц, содержит 11 таблиц, 17 рисунков, 7 таблиц приложений. Список литературы включает 155 источников, в том числе 52 - на иностранных языках.

Благодарности. Автор благодарит куратора коллекции касатиковых Иридария Ботанического сада Ботанического института им. B.JI. Комарова РАН к.б.н. Н.Б. Алексееву за предоставленную возможность сбора эмбриологического материала в Иридарии. Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю д.б.н. JI.B. Новоселовой.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СИСТЕМАТИКА РОДА IRIS (L.) (обзор литературы)

В главе приведен обзор систем рода, начиная с первой монографии по роду Iris С.Р. Thunberg (1782). Отмечено положение изученных видов в системах W.R. Dykes (1913), Г.И. Родионенко (1961, 2007), В. Mathew (1981), В.М. Доронькина (2006), Н.Б. Алексеевой (2011). Приведены сведения о молекулярно-генетических исследованиях, позволяющих выявить филогенетические взаимоотношения видов рода Iris (Макаревич, 2001; Ikinci, 2011; Wilson, 2011). Отмечено отсутствие единой, общепринятой классификации рода. Сделан вывод о необходимости использования комплекса методов, включая эмбриологические и молекулярно-генетические, для понимания процесса эволюции рода и создания точной классификации.

2. ОСОБЕННОСТИ РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ

ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА IRIS L. (обзор литературы)

В главе дается обзор литературы об особенностях морфологии и анатомии цветков, формирования окраски, строения андроцея и гинецея (Бурова, 1987; Родионенко, 1961, 1988; Алексеева, 2008; Игонина, 2009, 2010, 2011; Meckenstock, 2005), о степени изученности стадий развития цветка, процесса опыления, систем скрещивания (Троицкий, 1948; Бурова, 1970; Faegri, 1979; Zink, 1997; Lloyd, 1992; Krön, 1993; Wilson, 2001; Arafeh, 2002; Sapir, 2002; Чугаева, 2006), об особенностях развития пыльника, микроспорогенеза, использовании морфологии пыльцевых зерен и ультраскулыпуры поверхности для целей систематики (Schnarf, 1937; Куприянова, 1945, 1983; Faegri, 1950; Chuma, 1970; Мамонтова, 1971; Сурова, 1975; Родионенко, 1961; Copeland, 1981; Qi, 1987; Доронь-кин, 1988, 2010, 2011; Соколовская, 1990; Zhang, 2011), о степени изученности мегаспорогенеза и мегагаметогенеза (Haeckel, 1930; Riley, Ya-sui, 1940; 1942; Smith, 1956; Karagyozova, 1963; Оганезова, 1977; Pande, 1981; Поддубная-Арнольди, 1982; Rudall, 1984; Соколовская, 1990; Ka-мелина, 2011; Zhang, 2011), об особенностях оплодотворения, эмбрио- и эндоспермогенеза (Guignard, 1962; Olszewska, 1966; Соколовская, 1973, 1990; Соколов, 1974, 1983; Поддубная-Арнольди, 1976, 1982; Яковлев, 1978), о степени изученности морфологии и анатомии семян, об использовании данных о структуре семени и семенной кожуры для систематики и филогении рода (Родионенко, 1955, 1961; Чайка, 1971; Немирович-Данченко, 1985; Доронькин, 1987; Павлова, 1987; Оганезова, 1997; Rodionenko, 2005; Алексеева, 2007, 2010, 2011; Кравцова, 2008; Wilson, 2006; Кайгородова, 2011).

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Объекты исследования

Объектами исследования являлись виды рода Iris подрода Limniris (Tausch) Spach. В табл. 1 приведены данные о месте сбора метериала и происхождении образцов. Виды расположены согласно системе В. Mathew (1981).

3.2. Ботаническая характеристика исследованных видов рода Iris L.

В разделе приводится ботаническая характеристика исследованных видов: особенности строения корневища, листьев, цветоносов, окраска и размер цветка и его частей, форма и размер коробочки, цвет и форма семян, сроки цветения и плодоношения

Таблица 1

Исследованные вида рода Iris подрода Limniris (Tausch) Spach_

№ п/п Таксон Число хромосом Место сбора материала Происхождение

Серия Tripetalae (Diels) Lawrence

I. I. setosa Pall, ex Link. - и. щети-ноносный 2п = 34,36, 38 Иридарий Ботанического сада Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН Природные популяции в Приморском крае; Курильские о-ва, (о-в Парамушир)

Серия Sib подсе iricae (Diels) Lawrence рия Chrysographes

2. /. chrysographes Dykes. - и. xproo-графес, или золотисто-расписанный 2п = 40 Ирвдарий Ботанического сада Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН Выращены из семян SEAIEASI А. Dickinson Robinson Group Pat., № 701658

подсерия Sibiricae

3. I. sanguínea Hörnern. - и. кроваво-красный 2п = 28 Иридарий Ботанического сада Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН Природные популяции, Лазовский заповедник

4. I. sibirica L. - и. сибирский 2п = 28 Пермский край Природные популяции на территории ООПТ «Плотбшце» Чайковского района и урочища «Красава» Пермского района

5. I. typhifolia Kitag. - и. рогозоли-стный 2п = 28 Иридарий Ботанического сада Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН Выращены из семян Sieger dir ganze weet der philateeie, Германия

Серия Laevigatae (Dielst Lawrence

6. I. ensata Thunb. - и. мечевидный 2п = 24,40 Иридарий Ботанического сада Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН Природные популяции в Приморском крае, (Хассенский район

7. I. pseudacorus L. - и. ложноаир-ный 2п = 34,36 Иридарий Ботанического сада Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН Данные о происхождении неизвестны

3.3. Методы исследования

Для изучения начальных этапов развития семязачатков и мегага-метогенеза фиксировались бутоны на разных стадиях развития с использованием фиксатора Кларка. Для изучения процесса оплодотворения, эмбрио- и эндоспермогенеза использовали метод темпоральных фиксаций, а также фиксацию завязей на разных стадиях развития после естественного опыления цветков. Для проведения темпоральных фиксаций проводили искусственное перекрестное опыление и самоопыление в пределах особи. Темпоральные фиксации проводили через 24, 48, 72, 96, 120, 144, 168, 192 и 216 часов. Фиксация завязей проводилась с использованием фиксатора Навашина. Промывка и проводка фиксированного материала проводилась по общепринятой методике (Барыкина, 2004; Паушева, 1974; Прозина, 1960).

Изготовление постоянных препаратов проводилось в лаборатории цитогенетики и генетических ресурсов растений Пермского государственного национального исследовательского университета. Парафиниро-вание материала проводилось с использованием автоматической системы для гистологической обработки тканей Leica TP 1020 карусельного типа. Для изготовления срезов толщиной 7-10 мкм использовался ротационный микротом Leica RM. Окрашивание срезов проводилось с помощью галло-цианина - хромовых квасцов (Барыкина, 2004; Пирс, 1962) и методом тройного окрашивания с использованием реактива Шиффа, алцианового синего и гематоксилина Эрлиха (Камелина, 1992) с использованием универсального мультистейнера LEICA ST 2020. После окрашивания срезы заключали в синтетическую монтирующую среду БиоМаунт. Всего было сделано и проанализировано более 1500 постоянных препаратов. Фотографии с постоянных препаратов сделаны с помощью микроскопа Olympus ВХ-51 с цифровой видеокамерой Olympus Camedia C-300Zoom, с системой визуализации изображения визуализации изображений и программы CELL В. Увеличение 100-1500-кратное.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Развитие и строение женских генеративных структур

В разделе приведены подробные описания развития и строения семязачатков и зародышевых мешков, данные о фертильности пыльцевых зерен исследованных образцов, таблицы с размерами семязачатков и зародышевых мешков на разных стадиях развития.

Серия Tripetalae (Diels) Lawrence 4.1.1. /. setos a Pall, ex Link.

В бутонах длиной 20 мм в семязачатках происходит мегаспороге-нез (рис. 1). Поворот семязачатка составляет 80-90°. Нуцеллярный 8

колпачок 2-3-слойный. Халазальная клетка диады крупнее микропи-лярной. Тетрада мегаспор линейная. В некоторых тетрадах, перегородка разделяющая 2 микропилярные мегаспоры, лежит под углом 45° к халазальной мегаспоре. Из-за неравномерного роста в области прикрепления интегументов происходит изгиб семязачатка в анатропное положение. Образуется фуникулярный обтуратор.

Рис. 1. Мегаспорогенез I. яеШсг. 1 - мегаспороцит и париетальная клетка; 2 - линейная тетрада мегаспор. Масштабная линейка: 50 мкм

Рис. 2. Семязачаток 1. зеЮяа: 1 - анатропный семязачаток, 2-8-ядерный, 7-клеточный зародышевый мешок. Масштабная линейка: 1 -200 мкм, 2- 100 мкм

В бутонах длиной 40 мм в семязачатках наблюдаются сформированные зародышевые мешки Ро^опит-типа (рис. 2). В основании синергид различим нитчатый аппарат. Проводящий пучок доходит до халазы. Клетки постамента квадратные. Клетки подиума изодиаметри-ческие, в латеральной части вытянутые. Наружный интегумент 5-6-слойный, в области микропиле расширяется до 7-10 слоев, сужается к краю. Внутренний интегумент двухслойный, расширяется в обрасти микропиле до 6 слоев, образуя оперкулюм. Наружный интегумент длиннее внутреннего в среднем на 68±6 мкм, не смыкается в области микропиле.

Рис. 3. Образование центрального ядра центральной клетки I. яеШа: 1 - слияние полярных ядер, 2 - центральное ядро центральной клетки. Масштабная линейка: 20 мкм

В бутонах длиной 60 мм в одной завязи в семязачатках можно наблюдать зародышевые мешки на стадии сближения полярных ядер и со сформированным вторичным ядром центральной клетки (рис. 3).

Оплодотвоение двойное, порогамное. Деление первичного ядра эндосперма предшествует делению зиготы. Эндосперм нуклеарный. Наблюдается гетероморфизм ядер эндосперма (рис. 4, 1). Отмечено увеличение числа атипод до 4. Единично отмечены случаи образования зародыша путем свободных делений зиготы. На 9-й день после опыления в семязачатках можно наблюдать 2-клеточные зародыши (рис. 4, 2). Синергиды дегенерируют. Антиподы сохраняются. Характеристика семязачатков и зародышевых мешков представлена в табл. 2 (приводится в качестве примера). При статистической обработке результатов обращает на себя внимание варьирование средних размеров длины и ширины семязачатков. Это свидетельствует о постепенном и неодновременном созревании семязачатков в завязи, данные статистики подтверждают эту биологическую особенность.

Рис. 4.1. зеШа: 1 - зародышевый мешок после оплодотворения; 2 -двухклеточный зародыш: з - зигота, с - синергида, энд - эндосперм. Масштабная линейка: 100 мкм

Таблица 2

Характеристика семязачатков и зародышевых мешков 1.5еШа

Стадия развития цветка Стадия развития семязачатка Семязачаток (дл. х шир., мкм) Зародышевый МО-ШОК (дл. X шир.,мкм) Наружный интегумент 3-слойный, короче внутреннего Внутренний интегумент двухслойный, морфологически выражен Микропиле (дл., мкм) Фуникулус (шир., мкм) Париетальная ткань

Бутон 20 мм (дл. завязи 3 мм, диам.р 1,5 мм) мегаспо-рогенез повернут на 80-90° 218±15 х 154±27 не сформировано 166±13 2 ряда

Ьутон 40 мм (дл. завязи 7 мм, диам. 3,5 мм) 8-яд^рные, клеточные зародышевые мешки анатроп-ный 740 ±58 х 352±39 143±12х 66±3- 5-6-слойный, в области микропиле расширяется до 7-10 слоев, сужается к краю, длиннее внутреннего инге-гумешана 68±6мкм двухслойный, расширяется в области микропиле до 6 слоев, формируется оперкулюм сформировано внутренним ин-тегументом 87±13 35б±9 сдавливается и полностью дегенерирует

Бутон 60 мм (дл. завязи 10 мм, диам. 4 мм) 7-адерные, клеточные зародышевые мешки анатроп-ный 820±55 х 462±46 150±15х 81±9 1оже 101±9 369±9 Го же

3-4 день после опыления (дл. завязи 25 мм, диам. 8 мм) начало развития нуклеар-ного эндосперма анатроп-ный 1094±147х 621±67 344±40 х " 189±24 Го же Гоже 117±8 491±23 Го же

9-10 день после опыления (дл. завязи 30 мм, диам. 10 мм) 2-4- клеточные зародыши анатроп-ный 1949±243 х 774±116 То же То же 121±6 514±25 То же

Серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Chrysographes 4.1.2. I. chrysographes Dykes

В бутонах длиной 35 мм в семязачатках происходит первое и второе митотическое деление. Деления ядер происходят не синхронно. Париетальная ткань - 1-2-слойная. Нуцеллярный колпачок двухслойный. Клетки эпидермы нуцеллуса кубической формы. Париетальная ткань дегенерирует на стадии одноядерного зародышевого мешка и к концу первого митоза полностью исчезает. Внутренний интегумент двухслойный, в микропилярной части расширяется до 3 слоев, образуя оперку-люм. Проводящий пучок проходит через халазу, заканчивается в середине наружного интегумента. Имеется фуникулярный обтуратор. Отмечены семязачатки без зародышевых мешков с одним интегументом.

В бутонах длиной 45 мм в зародышевых мешках происходит третье митотическое деление и цитокинез. Зародышевый мешок Polygonum-типа. Нитчатый аппарат в синергидах не выражен. После клеткообразования образуется центральное ядро центральной клетки. В нуцеллусе дифференцируется постамент, подиум. Наружный интегумент 8-9-слойный, по длине равен внутреннему. В части полноценно сформированных семязачатков отмечено отсутствие зародышевых мешков.

Оплодотвоение двойное, порогамное. На второй день после опыления можно наблюдать процесс погружения спермия в центральное ядро центральной клетки. Эндосперм нуклеарный. Синергиды деформируются. Антиподы увеличиваются в размерах, имеют крупные ядра, густую цитоплазму без вакуолей и сохраняются продолжительное время.

Серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Sibiricae 4.1.3. I. sanguined Hörnern. - и. кроваво-красный

В бутонах длиной 30 мм в семязачатках наблюдается процесс ме-гаспорогенеза. Тетрада мегаспор линейная. В некоторых семязачатках отмечено образование триады мегаспор. Внутренний интегумент опережает в развитии наружный. Имеется фуникулярный обтуратор. Поворот семязачатка составляет 100-120°. Париетальная ткань 2-4-слойная. В бутонах длиной 40 мм в семязачатках можно наблюдать митотические деления. Происходит изгиб семязачатка в анатропное положение. В нуцеллусе дифференцируются слои удлиненных клеток - постамент. Клетки латеральной зоны нуцеллуса неправильной формы образуют подиум. Клетки поверхностного слоя нуцеллуса образуют нуцеллярный обтуратор. После второго митотического деления париетальная ткань полностью разрушается. В бутонах длиной 60 мм в семязачатках можно наблюдать сформированные 8-ядерные, 7-

клеточные зародышевые мешки Ро^опиш-типа. В основании синер-гид различим нитчатый аппарат. Антиподы вытянутой формы. Внутренний интегумент двухслойный, расширяется в микропилярной части до 3-5 слоев, формируя оперкулюм. Наружный интегумент 5-слойный, по длине равен внутреннему интегументу. Проводящий пучок доходит до халазы. В некоторых полноценно сформированных семязачатках можно наблюдать недифференцированные ядра в недоразвитых зародышевых мешках.

Рис. 5. Семязачаток I. sanguínea. Масштабная линейка: 100 мкм

Оплодотворение двойное, порогамное. Синергиды деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок. Антиподы сохраняются.

4.1.4. I. sibirica L. - и. сибирский

На ранних стадиях развития в семязачатках археспориальная клетка образует париетальную клетку и мегаспороцит. Поворот семязачатка составляет 100-120°. Имеется фуникулярный обтуратор. Тетрада мегаспор линейная. Париетальная ткань 2-слойная. В ходе развития семязачатка происходит его изгиб на 180°, что характеризует семязачаток как анатропный. В фуникулусе дифференцируется проводящий пучок. Нуцеллярный колпачок двухслойный.

Зародышевый мешок образуется из халазальной мегаспоры. Клетки, выстилающие микропиле, радиально удлиняются и вакуолизиру-ются, образуя интегументальный обтуратор. В нуцеллусе дифференцируется постамент и подиум. Клетки постамента вытянутые. Деления ядер во время митозов происходят не синхронно. Зародышевые мешки Polygonum-типа. В синергидах различим нитчатый аппарат. Часть семязачатков дегенерирует, в них происходит аномальное разрастание тканей в халазальной области, зародышевые мешки не развиваются. Отмечены зародышевые мешки с недифференцированными ядрами. Единично наблюдались случаи образования двух семязачатков с общим наружным интегументом. В некоторых зародышевых мешках после опыления число антипод достигает 4. Оплодотвоение двойное, порогамное. Деление первичного ядра эндосперма предшествует делению зиготы. Эндосперм нуклеарный. Синергиды полностью дегенерируют к стадии 4-клеточного зародыша.

4.1.5. I. typhifolia Kitag. - и. рогозолистный

На ранних стадиях развития в семязачатках поисходит процесс мегаспорогенеза. Тетрада мегаспор линейная. Париетальная ткань 2-слойная. Семязачаток к стадии мегаспорогенеза полностью сформирован. Поворот семязачатка составляет 180°, интегументы сформированы. Наружный интегумент 6-8-слойный, короче внутреннего. Внутренний интегумент двухслойный, в области микропиле расширяется до 4 слоев, формируя оперкулюм. Имеется фуникулярный обтуратор. Клетки постамента вытянутые (их длина в 3-4 раза превышает ширину). Клетки подиума изодиаметрические. Зародышевый мешок Polygonum-типа развивается из халазальной мегаспоры. Деление ядер во время митозов происходят не синхронно. Вскоре после клеткообра-зования происходит формирование центрального ядра центральной клетки, которое размещается вблизи антипод. К моменту раскрытия цветка в завязи можно наблюдать семязачатки овальной формы с 7-ядерными, 7-клеточными зародышевыми мешками. Проводящий пучок доходит до халазы. Наружный интегумент разрастается до 9 слоев, по длине равен внутреннему. Слои париетальной ткани к этому времени полностью дегенерируют. Клетки паренхимы наружного интегу-мента вакуолизированные, крупнее клеток эпидермы в 2-3 раза.

В некоторых полноценно сформированных семязачатках наблюдается отсутствие зародышевых мешков. Нуцеллус в таких семязачатках дифференцирован на постамент и подиум, имеются слои париетальной ткани. На месте зародышевого мешка сдавленные дегенерирующие клетки нуцеллуса.

Серия Laevigatae (Diels) Lawrence 4.1.6. I. ensata Thunb. - и. мечевидный В бутонах длиной 35 мм в семязачатках можно наблюдать мейоз мегаспороцита. Халазальная клетка диады в 2 раза больше микропи-лярной. Тетрада мегаспор линейная. В одной завязи можно наблюдать семязачатки как на стадии диады, так и семязачатки, в которых уже завершилось образование тетрады мегаспор после второго деления мейоза.

Семязачаток изогнут на на 180°, имеет квадратные очертания, проводящая семязачатка дифференцирована, интегументы сформированы. Внутренний интегумент образован двумя слоями клеток, в области микропиле разрастается до 3 слоев. Наружный интегумент 4-6-слойный, короче внутреннего. В нуцеллусе в халазальной зоне дифференцируется постамент и подиум. Клетки постамента вытянутые. Париетальная ткань 1-2-слойная. Нуцеллярный колпачок 2-слойный. Имеется фуникулярный обтуратор.

В бутонах длиной 40 мм отмечено увеличение халазальной мегаспоры, начало дегенерации париетальной ткани. В одной завязи можно наблюдать семязачатки как на стадии тетрады, так и на стадии дву-ядерного зародышевого мешка. В бутонах длиной 50-60 мм в семязачатках наблюдаются двуядерные зародышевые мешки. Париетальная ткань полностью разрушается.

В бутонах длиной 70 мм в семязачатках проходят второе и третье митотические деления. Деления ядер происходит не синхронно. Наружный интегумент 8-9-слойный, по длине равен внутреннему. К моменту раскрытия цветка зародышевый мешок состоит из яйцевого аппарата, центральной клетки с центральным ядром, трех антипод.

4.1.6 I. pseudacorus L. - и. ложноаирный В бутонах длиной 40 мм в семязачатках происходят митотические деления. В одной завязи в семязачатках можно наблюдать первое, второе, третье митотическое деление или начало цитокинеза (рис. 6, /). Нуцеллярный колпачок двухслойный. Проводящий пучок доходит до хал азы. Наружный интегумент 5-6- слойный, короче внутреннего на 73±4 мкм. Имеется фуникулярный обтуратор. Клетки постамената вытянутые, длина в 2-3 раза превышает ширину.

В бутонах длиной 60 мм в анатропных семязачатках можно наблюдать зародышевые мешки Polygonum-типа (рис. 6, 2). Наружный интегумент расширяется до 7 слоев. Внутренний интегумент расширяется в микропилярной части до 3-5, образуя оперкулюм. Оплодотвое-ние двойное, порогамное. Деление первичного ядра эндосперма пред-16

шествует делению зиготы и происходит на вторые сутки после опыления. Эндосперм нуклеарный. Гетероморфизм ядер наблюдается по всей периферии ценоцита эндосперма. На 6-й день после опыления в семязачатках можно наблюдать 2-клеточные зародыши. На этой стадии синергиды полностью разрушены. Антиподы сохраняются.

Рис. 6. Семязачаток I. ряеис1асогш. 1 - 4-ядерный зародышевый мешок, 2 - 8-ядерный, 7-клеточный зародышевый мешок. Масштабная линейка

100 мкм

4.2. Эмбриологические особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мещков некоторых видов рода Iris L. подрода Limniris (Tausch) Spach (обсуждение результатов)

Формирование и развитие семязачатков у I. setosa, I. chrysographes, I. sanguínea, I. sibirica, I. typhifolia, I. ensata, I. pseudacorus происходит сходно (табл. 3). Гинецей изученных видов синкарпный, завязь нижняя. Семязачатки расположены в шахматном порядке, попарно, в каждом из трех гнезд коробочки и имеют центрально-угловую плацентацию. УI. setosa отмечены единичные случаи расположения семязачатков по трое.

4.2.1. Семязачаток

Таблица 3

Цитоэмбрнологнческне особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мешков

Виц Зрелый семяз. (цл.х шир., м км: отнош. дл. к шир.) Париетальная ткань Эпидермис нуцеллуса Внутренний ингегуменг Наружный ингегуменг Проводящий пучок Антиподы Синергвды Эндосперм

Серия Tripetalae (Diels) Lawrence

/. setosa Pall, ex Link. 820±55 X 462±46 1,8:1 2 слоя нуцелляр-ный колпачок 2-3 слоя двухслойный, намикропиляр-ном конце увеличивается до 6 слоев 5-6-слойный, в области микропиле расширяется до 7-10 слоев, сужается к краю, длиннее внутреннего инге-гумента доходитдо хал азы 3-4, сохраняются®) образования 4-клеточнош зародыша деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок нуклеар-ный, гетероморфизм ядер

Серия Sibiriern (Diels) Lawrence, подсерия Chrysographes

l. chrysographes Dykes. 420424X 299±28 1,4:1 1-2 слоя нуцелляр-ный колпачок 2 слоя двухслойный, намикропиляр-ном конце увеличивается до 3 слоев 8-9 слоев, по длине равен внутреннему заходит в наружный интегу-мент 3, сохраняются до образования нукле- арного эндосперма деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок нуклеар-ный

Серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Sibiricae

I. sanguínea Hörnern 1606±32* 901±24 1,8:1 2-4 слоя нуцелляр-ный обтуратор двухслойный, на микропиляр-ном конце увеличивается до 3-5 слоев 5 -слойный, по длине равен внутреннему доходяг до халазы 3, дегенерируют в начале развития эндосперма деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок

I. sibirica L. 1136±36x 681±27 1,7:1 2 слоя нуцелляр-ный колпачок, 2 слоя двухслойный, гамикропиляр-ном конце увеличивается до 3 слоев, образуется интегумепталь-ный обтуратор 4-6-слойный, короче внутреннего доходит до халазы 3-4, дегене-риругв начале развития эндосперма сохраняются до образования многоядерного нуклеарного эндосперма нуклеар-ный

I. typhifolia Kitagawa 9Ш39* 464±48 2:1 2 слоя эпидермис однослойный двухслойный, в области микропиле расширяется до 4 слоев 8-9-слойный, по длине равен внутреннему доходит до халазы 3 нуклеар-ный

Серия Laevigatae (Diels) Lawrence

L ensata Thunb. 501±8 x 380±6 1,3:1 1-2 слоя нуцелляр-ный колпачок, 2 слоя на микропиляр-ном конце увеличивается до 4-5 слоев 7-8 слоев, короче внутреннего доходит до халазы 3 нуклеар-ный

I. pseu-dacorusL. 633±12x 382±9 1,7:1 нуцелляр-ный колпачок, 2 слоя на микропиляр-ном конце увеличивается до 3-5 слоев 5-7-слойный, короче внутреннего доходит до халазы 3, сохраняются до образования 4-клеточного зародыша деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок нуклеа-рный, гетероморфизм ядер

Семязачатки изученных видов анатропные, битегмальные, фуни-кулярные. Поворот семязачатка в анатропное положение у I. ensata и I. typhifolia происходит на ранних стадиях. К началу мегаспорогенеза семязачаток изгибается на 180°, проводящий пучок дифференцирован, оба интегумента развиты, микропиле сформировано. У видов I. sanguínea, I. setosa, I. sibirica мегаспорогенез происходит, когда поворот семязачатка составляет 90-100°, внутренний интегумент не выходит за пределы нуцеллуса, а наружный - только начинает развиваться. Наружный интегумент изученных видов многослойный. УI. sanguínea, I. typhifolia, I. chrysographes наружный интегумент по длине равен внутреннему, у I. pseudacorus, I. ensata и I. sibirica, короче внутреннего минимум на 48±2 мкм, у I. setosa - длиннее внутреннего на 68±1б мкм. Внутренний интегумент у изученных видов двухслойный, в микропи-лярной части разрастается. Микропиле образовано внутренним инте-гументом. Длина микропилярного канала варьирует от 101±9 мкм (/. setosa) до 243±9 мкм (/. sanguínea). У всех изученных видов формируется оперкулюм. У I. sibirica отмечено развитие радиально удлиненных вакуолизированных клеток, выстилающих микропиле, образующих интегументальный обтуратор. Такие же радиально удлиненные клетки в области микропиле были отмечены у I. tenax, который также относится к подроду Limniris (Wilson, 2001).

Проводящая система семязачатков изученных видов хорошо развита. Проводящий пучок дифференцируется по направлению к хал азе и состоит из нескольких слоев удлиненных густоплазменных клеток, часть которых трансформируется в сосуды с кольчатыми и спиральными утолщениями. По строению и развитию нуцеллуса семязачаток изученных видов является крассинуцеллятным и характеризуется дифференциацией в нуцеллусе париетальной ткани, постамента, подиума. У некоторых видов отмечено образование нуцеллярного колпачка, нуцеллярного обтуратора. Образование слоев париетальной ткани происходит во время мегаспорогенеза. Сдавливание слоев париетальной ткани начинается на стадии одноядерного зародышевого мешка. К концу первого митотического деления париетальные слои полностью дегенерируют.

В результате периклинальных делений поверхностного слоя нуцеллуса образуется нуцеллярный колпачок. У I. ensata, I. sibirica, I. chrysographes, I. pseudacorus - 2 слоя, у I. setosa - 2-3 слоя. У I. sanguínea клетки поверхностного слоя нуцеллуса радиально удлиняются, образуя нуцеллярный обтуратор. У всех изученных видов в основании фуникулуса образуется фуникулярный обтуратор.

4.2.2. Мегаспорогенез и развитие зародышевого мешка

На ранних стадиях развития семязачатка у исследованных видов выделяется археспориальная клетка, которая после периклинального деления отделяет париетальную клетку и мегаспороцит. Мегаспороцит характеризуется крупным ядром, плотной цитоплазмой. После первого мейотического деления мегаспороцита образуется диада мегаспор. УI. setosa первая перегородка закладывается высоко, образуя две неравные клетки. У I. ensata, I. typhifolia халазальная клетка диады в 2 раза больше микропилярной. После второго мейотического деления образуется линейная тетрада мегаспор. У I. sanguínea в некоторых семязачатках образуется триада мегаспор вследствие того, что в верхней клетке диады выпадает второе деление мейоза. У I. setosa в некоторых тетрадах перегородка, разделяющая 2 микропилярные мегаспоры, лежит под углом 45° к халозальной мегаспоре. Зародышевый мешок изученных видов развивается из халазальной мегаспоры. После первого митотического деления образуется двуядерный ценоцит. Деление ядер сопровождаются образованием центральной вакуоли. В результате второго митотического деления образуется 4-ядерный зародышевый мешок. Ядра остаются на полюсах и снова делятся митотически, в результате чего образуется 8-ядерный ценоцит. С прекращением мито-тических делений в микропилярном и халазальном концах зародышевого мешка вокруг полярных групп ядер локализуется цитоплазма и начинается клеткообразование. Период дифференциации элементов зародышевого мешка начинается сразу после клеткообразования и сопровождается интенсивным ростом зародышевого мешка.

Дифференциация яйцевого аппарата начинается с вакуолизации клеток. Две синергиды располагаются рядом, с ядрами в центральной части и с вакуолями в апикальной части. Нитчатый аппарат в синерги-дах хорошо различим у I. sibirica и I. sanguínea. Яйцеклетка имеет другую поляризацию — ядро располагается в апикальной части клетки, а вакуоль в базальной. Центральная клетка пронизана тяжами цитоплазмы, между которыми располагаются вакуоли. В результате слияния полярных ядер образуется центральное ядро центральной клетки. В халазальной части зародышевого мешка дифференцируются 3 антиподы. У I. sibirica и I. setosa отмечено увеличение числа антипод до 4. Таким образом, зародышевый мешок у изученных видов в семязачатках развиваются по Polygonum-типу.

Анализ строения и развития семязачатков позволяет выделить следующие эмбриологические признаки: наличие или отсутствие ра-диально удлиненных клеток внутреннего интегумента, выстилающих микропиле (интегументальный обтуратор), наличие или отсутствие

21

нуцеллярного колпачка, нуцеллярного обтуратора, число слоев наружного интегумента, длина наружного интегумента относительно внутреннего, прохождение проводящего пучка в тканях семяпочки, увеличение числа антипод (табл. 3).

4.2.3. Оплодотворение, начальные стадии развития зародыша и

эндосперма

Оплодотвоение двойное, порогамное. У I. chrysographes, I. pseudacorus, /. setosa, I. sanguínea синергиды деформируются после проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок. У I. sibirica сохраняются до образования многоядерного нуклеарного эндосперма. У изученных видов деление первичного ядра эндосперма предшествует делению зиготы. Эндосперм нуклеарный. Ядра располагаются в цитоплазматических тяжах, пересекающих центральную вакуоль. Ядра имеют 1-3 ядрышка, у I. pseudacorus до 7. У I. setosa и /. pseudacorus отмечен гетероморфизм ядер по всей периферии ценоцита эндосперма. Зигота проходит короткий период покоя после двойного оплодотворения. У 1. setosa период покоя зиготы длится около 7 дней с момента оплодотворения.

Во время первого деления зиготы клеточная перегородка закладывается поперечно. Двухклеточные зародыши в семязачатках 1. pseudacorus можно наблюдать на 6-й день после опыления, у I. setosa - на 9-й день. В 4-клеточном зародыше расположение клеток Т-образное.

4.2.4. Аномалии в развитии семязачатков и зародышевых

мешков

Развитие аберрантных семязачатков отмечено у большей части изученных видов. У I. chrysographes часть семязачатков отличается мелкими размерами, отсутствием зародышевых мешков, вместо двух интегументов развивается единственная структура. Такое аномальное развитие, по-видимому, связано с нарушениями дифференциации инициалей интегументов. У I. sibirica отмечены случаи дегенерации семязачатков вследствие аномального разрастания тканей в халазаль-ной области, зародышевые мешки отсутствуют. Единично у I. sibirica наблюдались случаи образования двух семязачатков с общим наружным интегументом. У /. typhifolia в некоторых полноценно сформированных семязачатках, с развитым нуцеллусом, наблюдалось отсутствие зародышевых мешков. Нуцеллус в таких семязачатках дифференцирован на постамент и подиум, имеются слои париетальной ткани. На месте зародышевого мешка плотно сомкнутые клетки нуцеллуса.

У видов I. sibirica, I. setosa и I. sanguínea в части полноценно сформированных семязачатков в недоразвитых зародышевых мешках наблюдалось отсутствие дифференциации ядер. Часть семязачатков I. setosa после оплодотворения дегенерируют, сильно деформируются, сдавливаются. В них не происходит деления первичного ядра эндосперма. У 1. setosa отмечены единичные случаи образования зародыша путем свободных делений зиготы в сдавленных семязачатках на стадии нуклеарного эндосперма.

ВЫВОДЫ

1. У пяти видов рода Iris L. подрода Limniris (Tausch) Spach: I. setosa Pall, ex Link, I. chrysographes Dykes, I. sanguínea Hörnern., I. typhi-folia Kitag., I. ensata Thunb., изученных впервые и двух видов I. sibirica L. и I. pseudacorus L., по уточненным данным, выявлены характерные эмбриологические признаки - анатропный, битегмальный, крассину-целлятный семязачаток, одноклеточный археспорий, несколько слоев париетальной ткани, линейные тетрады мегаспор, зародышевый мешок Polygonum-типа, нуклеарный эндосперм, которые являются типичными для семейства Iridaceae.

2. Эмбриологические признаки строения и развития семязачатков: число слоев наружного интегумента, длина наружного интегумен-та относительно внутреннего, расположение проводящего пучка в тканях семязачатков, наличие интегументального и нуцеллярного обтураторов, число слоев париетальной ткани - различны у изученных видов подрода Limniris (Tausch) Spach.

3. Расположение проводящего пучка в наружном интегументе у I. chrysographes Dykes, образование инте1ументального обтуратора на ранних стадиях у I. sibirica L., образование нуцеллярного обтуратора у 1. sanguínea Hörnern, могут быть использованы для целей систематики.

4. Различные аномалии в развитии семязачатков и зародышевых мешков: развитие одной структуры вместо двух интегументов, аномальное разрастание тканей семязачатка в халазальной области, образование двух семязачатков с общим наружным интегументом, отсутствие зародышевых мешков в полноценно сформированных семязачатках, отсутствие дифференциации ядер зародышевых мешков выявлены у культиваров видов I. setosa Pall, ex Link, /. chrysographes Dykes, I. sanguínea Hörnern., I. typhifolia Kitag. в условиях интродукции и у /. sibirica L. — в природе.

Список публикаций по теме диссертации

Публикация из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

Дорофеева М.М. Эмбриологическое исследование видов рода Iris L. подро-да Limnins (Tausch) // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5; URL: http://www.science-education.ru/l 11-10746 (дата обращения: 12.11.2013).

Другие публикации:

1. Дорофеева М.М., Новоселова JI.B. Особенности семенной продуктивности Iris sibirica L. // Материалы 2-го Московского международного симпозиума по роду Ирис «Iris-2011». Москва, 14-17 июня 2011 г. / Отв. ред. Новиков B.C. М.: МАКС Пресс, 2011. С. 61-63.

2. М.М. Дорофеева, А.Н. Глухова, JI.B. Новоселова Развитие семязачатков Iris sibirica и Iris sanguínea // Эмбриология, генетика и биотехнология: материалы IV Международной школы для молодых ученых "Эмбриология, генетика и биотехнология" (3-9 дек. 2012 года) / под общ. ред. Л.В. Новоселовой; Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь; Ижевск: ИП Пермяков С.А., 2012. С. 158-163.

3. М.М. Дорофеева, А.Н. Глухова Женская генеративная сфера Iris sibirica / Фундаментальные и прикладные исследования в биологии и экологии: материалы регион, студ. науч. конф. (16-21 апреля 2012 г.) / гл. ред. Н.И. Литвиненко; отв. ред. С.А. Овеснов; Перм. гос. нац. иссл. ун-т. Пермь, 2012. С. 6-10.

4. Дорофеева М.М., Глухова А.Н., Новоселова Л.В. Развитие женской генеративной сферы у видов рода Iris L. // Современная ботаника в России. Тр. XIII делегат, съезда Русского ботан. о-ва и конференции «Научные основы охраны и рационального использования растительного покрова Волжского бассейна» (Тольятти 16-22 сентября 2013). Т. 1: Эмбриология. Структурная ботаника. Альгология. Микология. Тольятти: Кассандра, 2013. С. 13-14.

Подписано в печать 25.11.2013 г. Формат 60*84/16 Усл. печ. л. 1,22. Тираж 150 экз. Заказ 309

Типография Пермского государственного национального исследовательского университета. 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Дорофеева, Мария Михайловна, Пермь

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

На правах рукописи

ДОРОФЕЕВА Мария Михайловна

Эмбриологические особенности строения и развития семязачатков и зародышевых мешков некоторых видов рода Iris L. подрода Limniris (Tausch) Spach

03.02.01 - ботаника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент Новоселова Лариса Викторовна

Пермь-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 4

1. СИСТЕМАТИКА И ФИЛОГЕНИЯ РОДА IRIS (L.) (обзор литературы).. 9

2. ОСОБЕННОСТИ РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА IRIS (L.) (обзор литературы)....................... 18

2.1. Строение цветков.................................................................................. 18

2.2.Андроцей и гинецей............................................................................... 21

2.3.Стадии развития цветка и процесс опыления...................................... 23

2.4.Развитие мужской генеративной сферы.............................................. 28

2.5.Развитие женской генеративной сферы............................................... 30

2.6.0плодотворение, эмбрио- и эндоспермогенез..................................... 31

2.7.Морфология и анатомия семян............................................................. 33

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................. 36

3.1 .Объекты исследования........................................................................... 36

3.2.Ботаническая характеристика исследованных видов рода Iris L....... 39

3.3.Методы исследования............................................................................ 42

3.3.1. Фиксация материала для цитоэмбриологических

исследований................................................................................ 42

3.3.2. Метод приготовления цитоэмбриологических препаратов..... 43

3.3.3. Метод исследования семенной продуктивности...................... 44

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................. 46

4.1 .Развитие и строение женских генеративных структур.................... 46

4.1.1.1. setosa Pallas ex Link................................................................... 46

4.1.2.1. chrysographes Dykes.................................................................. 58

4.1.3.1. sanguínea Hornem...................................................................... 64

4.1.4.1. sibiricaL..................................................................................... 71

4.1.5. /. typhifolia Kitag........................................................................... 80

4.1.6.1. ensata Thunb............................................................................... 84

4.1.7.1. pseudacorus L............................................................................. 90

4.2.Цитоэмбриологические особенности строения и развития

семязачатков и зародышевых мешков видов подрода Ытптя......... 95

4.2.1. Семязачаток.................................................................................. 95

4.2.2. Мегаспорогенез и развитие зародышевого мешка................. 97

4.2.3. Оплодотворение, начальные стадии развития зародыша и

эндосперма.............................................................. 100

4.2.4. Аномалии в развитии семязачатков и зародышевых мешков.. 101

ВЫВОДЫ................................................................................................. 105

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................... 106

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................... 120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Род Iris L. относится к семейству Касатиковые (Iridaceae) и включает в себя более 200 видов, распространенных в большей части Северного полушария (Родионенко, 1961; Тахтаждян, 1977). Число описанных видов продолжает возрастать, только за последние годы включено в состав этого рода шесть новых видов — I. psammocola Zhao (Zhao, 1992), I. daliensis Dong ex Zhao (Dong, 1997), I. adriatica Trinajstic ex Mitic (Mitic, 2002), I. kamelinii Alexeeva (Алексеева, 2006), /. nezahatiae Güner ex Duman (Güner, 2007), 1. hellenica Mermygkas, Kit Tan ex Yannitsaros (Mermygkas, 2010). К 2008 году в «Index Kewensis» было зарегистрировано более 340 видов Iris (Алексеева, 2008).

На территории России произрастает 40 видов и 2 подвида. В Красную книгу Российской Федерации (2008) включены 12 видов рода. В Красные книги регионального уровня занесены 38 видов, поскольку существует реальная угроза утраты их природного генофонда. Местонахождения многих редких видов часто рассеяны и незначительны по площади (Алексеева, 2003).

Виды рода Iris давно введены в культуру и являются объектами селекции как прекрасные декоративные растения, украшающие сады, парки, занимая одно из первых мест в мире среди цветочных культур по количеству сортов. В декоративном цветоводстве используют около 40 тыс. сортов с 300 оттенками цвета. Большинство видов пригодны для срезки, выгонки, бордюрных и групповых посадок, обрамления опушек; виды с миниатюрными листьями и короткими цветоносами эффектны на альпийских горках; виды из низинных заболоченных местообитаний пригодны для декорирования водоемов (Бирюлева, 2008; Головнина, 2008). Многие виды представляют интерес для комплексного хозяйственного использования (Растительные ресурсы, 1994; Дикорастущие..., 2001).

Некоторые представители рода Iris имеют приятный аромат. Практическое применение видов Iris связано с наличием ценного по

компонентному составу эфирного масла, включающего ирон, жирные кислоты и их эфиры, кетон фурфурол; бензойный, дециловый, иониловый альдегиды; спирты - евгенол, гераниол; терпены; каприловую, пеларгоновую, ундециловую, лауриновую, бензойную органические кислоты; воск; синоды; миристиновую кислоту (Бирюлева, 2008).

Несмотря на большой объем рода и его широкое распространение, общепринятой системы и единого мнения по классификации рода Iris среди современных ученых до сих пор не существует. Основными причинами этого являются полиморфизм видов в природных условиях и большая роль гибридизации в эволюции рода в целом (Алексеева, 2005).

В качестве надежных критериев при выяснении дискуссионных вопросов систематики, филогении и эволюции цветковых растений используются эмбриологические признаки репродуктивных органов (Арнольди, 1900, 1906; Герасимова-Навашина,1954; Камелина, 1976; Поддубная-Арнольди, 1976; Кордюм, 1971, 1978; Камелина, 1980; Терехин, 1981; Шамров, 2000, 2010; Камелина, 2011). Это данные об особенностях строения семязачатка, а также ряд других эмбриологических признаков -число семядолей в зародыше, типы развития зародыша и эндосперма, строение тапетума, пыльцевого зерна. Эти структуры, а также процессы их становления устойчивы, консервативны, мало зависят от изменений среды, а значит, особенно важны для целей систематики (Камелина, 1980). Эмбриологическая информация также чрезвычайно важна при создании оригинальных селекционных программ и индустриальных технологий с нетрадиционными способами получения новых форм и сортов растений (Батыгина, 2010).

При определении объема или систематического положения семейств, родов или видов, необходимо принимать во внимание весь комплекс эмбриологических признаков, поскольку любой из них может иметь важное значение при проверке и установлении систематических и филогенетических взаимоотношений, как между крупными, так и между более мелкими

таксономическими единицами (Поддубная-Арнольди, 1930, 1958, 1976; Магешвари, 1954; Кордюм, 1971).

Значение признаков развития и строения семязачатка для систематики и филогении продемонстрировано на основе сравнительного анализа растений, контрастирующих по особенностям репродуктивной биологии и занимающих разное положение в системе цветковых растений (Шамров, 2008).

В роде Iris наиболее неоднородным по составу считается подрод Limniris (Макаревич, 2001; Доронькин, 2004; Wilson, 2011), объединяющий более 45 видов. Характерным признаком этих видов является отсутствие бородки на наружных долях околоцветника, поэтому за видами подрода закрепилось название «безбородые ирисы».

Несмотря на то, что многие виды подрода Limniris активно изучаются систематиками, их репродуктивные системы мало исследованы или они не изучены совсем (Кайгородова, 2011). При моделировании филогенетических связей рода Iris используются такие таксономические признаки, как форма пыльцевых зерен, наличие борозд, скульптура экзины, характер поверхности мембраны, поверхность дна ячеек (Доронькин, 2004). Структурам семязачатка не уделяется достаточно внимания.

Цель работы - проведение сравнительного эмбриологического анализа строения и развития семязачатков и зародышевых мешков 7 видов рода Iris, относящихся к подроду Limniris.

Объекты исследований. Объектами исследований являлись виды рода Iris L. подрода Limniris — I. setosa Pall, ex Link (серия Tripetalae (Diels) Lawrence); I. chrysographes Dykes (серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Chrysographes)\ I. sanguínea Hörnern., I. sibirica L., I. typhifolia Kitag. (серия Sibiricae (Diels) Lawrence, подсерия Sibiricae)', /. ensata Thunb., I. pseudacorus L. (серия Laevigatae (Diels) Lawrence).

Задачи исследований:

1. Охарактеризовать семязачатки по ключевым эмбриологическим признакам: особенности морфологического типа семязачатка, число интегументов, форма микропиле, наличие обтураторов, специфика строения нуцеллуса, наличие париетальных слоев.

2. Описать особенности мегаспорогенеза, строения и развития зародышевого мешка, начальных этапов развития зародыша и эндосперма.

3. Оценить возможность использования цитоэмбриологических признаков строения и развития семязачатков и зародышевых мешков для целей систематики и филогении.

Научная новизна. Впервые проведено цитоэмбриологическое исследование женской генеративной сферы I. setosa Pall, ex Link, I. chrysographes Dykes, I. sanguínea Hörnern., I. sibirica L., I. typhifolia Kitag., I. ensata Thunb., I. pseudacorus L. Получены новые сведения о развитии женской генеративной сферы I. sibirica L. и I. pseudacorus L. Установлены значения потенциальной и реальной семенной продуктивности I. sibirica в Пермском крае.

Теоретическое и практическое значение работы. Материалы эмбриологических исследований пополняют характеристику семейства Iridaceae и могут быть использованы для решения спорных вопросов систематики и филогении рода Iris.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены и доложены на II Московском Международном Симпозиуме по роду Ирис "Iris—2011" (Москва, 2011); на региональной студенческой научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в биологии и экологии» (Пермь, 2012); на заседании Пермского отделения Русского ботанического общества (Пермь, 2012); на IV Международной школе для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнлогия» (Пермь, 2012); на XIII делегатском съезде Русского ботанического общества (Тольятти, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять работ, одна из которых - в научных изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Личное участие автора. В диссертации изложены результаты трехлетних исследований автора по эмбриологии видов подрода Limniris. Автор лично провел в 2011-2012 гг. сбор материалов для изучения. Цитоэмбриологический анализ материала полностью осуществлен автором. Зафиксировано около 500 завязей. За период работы изготовлено более 1500 постоянных препаратов. Анализ полученных результатов проведен автором самостоятельно. Текст иллюстрирован фотографиями и рисунками автора.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 160 страниц, содержит 11 таблиц, 17 рисунок, 7 таблиц приложений. Список литературы включает 155 источников, в том числе 52 - на иностранных языках.

Благодарности. Автор благодарит куратора коллекции касатиковых Иридария Ботанического сада Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН к.б.н. Н.Б. Алексееву за предоставленную возможность сбора эмбриологического материала в Иридарии. Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю д.б.н. Л.В. Новоселовой.

1. СИСТЕМАТИКА РОДА IRIS (L.) (обзор литературы)

Описание истории изучения систематики рода Iris в XVIII-XIX веков приведено по работам Г.И. Родионенко (1961), Н.Б. Алексеевой (2008).

Карлу Линнею к 1753 г. было известно 24 вида Iris, которые он разделил на две группы - бородатых (Barbatae) и безбородых (Imberbis). Первая монография по роду Iris принадлежит С.Р. Thunberg (1782). Ему были известны 43 вида рода, которые он делил на бородатые и безбородые, а эти крупные группы подразделял еще и по форме листьев (цит. по: Алексеева, 2008).

В период XIX и XX веков различными систематиками были предложены различные варианты классификации видов Iris. Одна из первых классификаций принадлежит J. Róemer и F. Schultes (1817). Авторы распределили известные к тому времени виды на три группы: «Corollis barbatis» - виды с «бородкой» из многоклеточных волосков на наружных долях околоцветника; «Corollis imberbibus» - виды с околоцветником, лишенным бородки; все остальные виды рода были отнесены к группе «Minus cognitae» (цит. по: Родионенко, 1961).

В 1823 г. чешский ботаник I.F. Tausch предложил новую систему рода. Он включил в род Iris и корневищные, и луковичные виды, подразделив их на 6 секций: Pogoniris, Lophiris, Limniris, Xyridion, Spathula, Xiphion. В своей системе Tausch использовал большее число признаков - характер подземных органов, форму листьев, строение околоцветника, форму рыльца, признаки коробочек и семян - и разделил сборную группу «бородатых» ирисов на 4 секции: Limniris, Xyridion, Spathula, Xiphion. Система Tausch была признана большинством ботаников и использовалась до конца XIX века, а большинство обоснованных им групп сохранились и в последующих классификациях рода (цит. по: Алексеева, 2008).

H.Th.L. Reichenbach (1841) секции, выделенные Tausch, распределил между 3 самостоятельными родами: Iris (секции Pogoniris и Lophiris),

Limniris (секции Limniris, Xyridion и Spathula) и Xiphion (секция Xiphion). В род Iris он включил только бородатые и гребенчатые ирисы, выделив безбородые виды в качестве самостоятельного рода Limniris.

Крупный вклад в систематику ирисов был внесен Е. Spach (1846). Он включил в систему 56 видов и 11 подвидов, группируя их в 15 подродов. Spach первым предложил трехступенчатую соподчиненность видов: подроды включали параграфы, которые, в свою очередь, подразделялись на группы (цит. по: Алексеева, 2008).

Наряду с расширенным пониманием рода, появилось стремление отделить друг от друга корневищные и луковичные виды Iris (Алексеева, 2008). F. Alefeld (1863) восстановил самостоятельность родов Hermodactylus и Juno. Остальные виды были подразделены на 3 рода: Iris, Xiphion, Neubeckia. К роду Iris он отнес только группу так называемых «бородатых» ирисов. В своей системе Alefeld использовал признаки только генеративных органов (длина трубки околоцветника, размер долей околоцветника, форма рыльца), оставляя без внимания строение многолетней части стебля.

М. Fuss (1866) принял систему, предложенную Reichenbach, и корневищные ирисы флоры Трансильвании отнес к 2 родам: Iris L. и Limniris Rchb.

G. Bentham (1883) в своей системе также выделил род Hermodactylus, а все остальные известные к тому времени виды Iris сгруппировал в четыре секции: Euiris, Diaphne (Xiphion), Juno, Gynandriris. К секции Euiris были отнесены корневищные виды с мечевидной пластинкой листа, сгруппированные по признакам строения долей околоцветника в 5 подсекций: Hexapogon, Pogoniris, Oncocyclus, Apogon, Evansia. В своей системе Bentham особое внимание обращал на признаки вегетативных органов.

Монограф семейства Iridaceae J.G. Baker (1878, 1892) распределил более 160 видов рода в 10 подродов, также разделяя луковичные и корневищные виды. К группе корневищных видов были отнесены подроды -

Apogon, Pardanthopsis, Oncocyclus, Regelia, Evansia, Pseudevansia, Pogoniris, к группе луковичных видов отнесены подроды - Xiphion, Gynandriris, Juno (цит. по: Алексеева, 2008).

Большой популярностью пользовалась классификация ирисов, предложенная W.R. Dykes в монографии «The Genus Iris», опубликованной в 1913 г. (Dykes, 1913). Dykes разделил 138 известных ему видов на 12 секций: Apogon (Benth.) Baker, Pardanthopsis Hance, Evansia Salisb., Oncocyclus (Siemss) Baker, Regelia Dykes, Pseudoregelia Dykes, Pogoniris Baker, Nepalensis Dykes, Juno (Tratt.) Benth., Xiphium (Mill.) Dykes, Reticulata Dykes, Gynandriris (Pari.) Benth. В род Iris вошли и корневищные, и луковичные виды. Сборную группу Apogon он разделил на 15 групп, но не дал этим таксономическим единицам латинских обозначений. Исследованные нами виды, согласно системе Dykes, относятся к секции Apogon:

• группа Sibirica - I. orientalis Thunb. (сейчас I. sanguínea), I. sibirica L., I. chrysographes Dyke;

• группа Laevigata -1, ensata Thunb., /. pseudacorus L.;

• группа Tripetalous - I. setosa Pallas ex Link.

Свою систему рода создал американский ботаник G.H.M. Lawrence в 1953 г., включив в род и луковичные, и клубнелуковичные виды (Lawrence, 1953). Распределяя 153 вида, он создал четырехступенчатую соподчиненность для внутриродовых групп: подрод, секция, подсекция, серия. Исправляя номенклатурные погрешности, допущенные в работе Dykes, Lawrence восстановил приоритетные названия всех внутриродовых групп. Виды рода Iris были распределены по 5 подродам: Iris, Nepalensis (Dykes) Lawr., Xiphium (Mill.) Spach, Scorpiris Spach, Gynandriris (Pari.) Lawr; корневищные виды объединены в один подрод Iris, разделенный на секции Pogiris Tausch и Spathula Tausch em. Lawr.

В 1961 г. появилась монография рода Iris Г.И. Родионенко (1961). Автор сократил объем рода, оставив в нем только виды с корневищем и мечевидной пластинкой листа, используя четырехступенчатую

соподчиненность для внутриродовых групп. Виды рода Iris распределены по 6 подродам: Limniris (Tausch) Spach, Xyridion (Tausch) Spach, Nepalensis (Dykes) Lawr., Pardanthopsis (Hance) Baker, Crossiris Spach, Iris. Данная классификация принимается западными ботаниками критически.

Исследованные нами виды, согласно системе Родионенко 1961 г. относятся к подроду Limniris (Tausch) Spach секции Limniris: о подсекция Apogon Benth. em. Rod.;

■ серия Sibiricae (Diels) Lawr. - I. chrysographes (Dykes), I. sibirica L., I. orientalis Thunb. (сейчас I. sanguínea);

■ серия Laevigatae (Diels) Lawr. — I. pseudacorus L.;

■ серия Tripetalae (Diels) Lawr. -1. setosa Pall.; о подсекция Ensatae Diels;

■ серия Ensatae (Diels) Lawr. - L. ensata Thunb.

Монография «Iris» В. Mathew впервые была опублико