Эмбриология редкого эндемика Южного Урала Oxytropis baschkirensis Knjasev (Fabaceae Lindl.) в условиях интродукции

Круглова, Анна Евгеньевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эмбриология редкого эндемика Южного Урала Oxytropis baschkirensis Knjasev (Fabaceae Lindl.) в условиях интродукции
ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Эмбриология редкого эндемика Южного Урала Oxytropis baschkirensis Knjasev (Fabaceae Lindl.) в условиях интродукции"

На правах рукописи

005008165

Круглова Анна Евгеньевна

ЭМБРИОЛОГИЯ РЕДКОГО ЭНДЕМИКА ЮЖНОГО УРАЛА OXYTROPISBASCHKIRENSIS KNJASEV (FABACEAE LINDL.) В УСЛОВИЯХ ИНТРОДУКЦИИ

03.02.01 - Ботаника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 9 Я HB ¿biz

Уфа-2012

005008165

Работа выполнена в Учреждении РАН «Институт биологии Уфимского научного центра РАН» (лаборатория экспериментальной эмбриологии растений, лаборатория геоботаники и охраны растительности)

Научный руководитель кандидат биологических наук, доцент

Маслова Наталья Владимировна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, проф.

Горбунова Валентина Юрьевна

доктор биологических наук, проф. Абрамова Лариса Михайловна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский

государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

Защита диссертации состоится «2» февраля 2012 г. в 14:00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.013.11 при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет» по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32, биологический факультет, ауд. 332.

Факс (347)-273-67-78, e-mail: disbiobsu@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет», с авторефератом - на официальном сайте БашГУ http:www.bashed u. ru и на официальном сайте Министерства образования и науки РФ.

Автореферат разослан « £-?-» декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор

М.Ю. Шарипова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Сохранение редких и находящихся под угрозой исчезновения растений как составная часть сохранения биологического разнообразия - важнейшая научная проблема. Одним из эффективных приемов сохранения, размножения и увеличения численности особей редких и исчезающих видов является их интродукция в питомники ботанических садов [Стратегия ботанических садов.., 1993; Редкие и исчезающие виды.., 1983; Камслин, 1997; Семенова, 2001; Абрамова и др., 2004; и др.]. Коллекции интродуцированных редких видов могут стать базой для их реинтродукции (репатриации) в естественные местообитания и тем самым - сохранения и восстановления природных популяций [Трулевич, 1991; Амельченко, 2002; Мулдашев и др., 2008].

К группе редких и исчезающих растений относится эндемичный вид Южного Урала остролодочник башкирский Oxytropis baschkirensis Knjasev (сем. Fabaceae Lindl.), включенный в «Красную книгу Республики Башкортостан» [2011], категория редкости I (вид выделен М.С. Князевым [2001] из вида остролодочник сходный Oxytropis ambigua (Pall.) DC.). В Институте биологии УНЦ РАН ведутся интродукционные исследования О. baschkirensis [Маслова и др., 2002, 2006, 2009; Куватова, 2011]. начаты работы по его реинтродукции в естественные условия местообитания [Мулдашев и др., 2008]. В то же время для проведения реинтродукционных работ требуется значительное количество качественных семян интродуцированных растений. По отношению к О. baschkirensis эта проблема особенно актуальна, поскольку реальная семенная продуктивность растений этого вида и в природных условиях, и при интродукции не превышает 10% на растение [Куватова, 2011].

Необходимая основа для разработки технологии стабильного получения достаточного количества качественных семян интродуцированных растений О. baschkirensis - эмбриологические данные по формированию и развитию генеративных органов (пыльника и семяпочки) и зародыша, в соотнесении с оценкой потенциальной и реальной семенной продуктивности.

Цель и задачи исследований. Цель работы состояла в изучении эмбриологии и элементов репродуктивной биологии Oxytropis baschkirensis Knjasev в условиях интродукции. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Провести наблюдения за фенологическим развитием и выявить особенности цветения и опыления растений.

2. Исследовать морфогенез пыльника, семяпочки и зародыша.

3. Выявить сопряженность развития генеративных органов (пыльника и семяпочки) в цветке.

4. Дать оценку аномалий и дегенераций пыльцевых зерен и зародышевых мешков.

5. Изучить потенциальную, условно-реальную и реальную семенную продуктивность растений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Морфогенез генеративных органов (пыльника и семяпочки) и зародыша, формирование и развитие мужского (пыльцевого зерна) и женского (зародышевого мешка) гаметофитов у О. baschkirensis проходят согласно закономерностям, выявленным для видов сем. Fabaceae. Морфогенетические процессы формирования и развития генеративных органов в цветке проходят сопряженно.

2. Аномалии в развитии пыльцевых зерен (этап созревания пыльника), дегенерация зрелых пыльцевых зерен (этап зрелого пыльника), аном&чии в развитии зародышевых мешков (этап сформированной семяпочки), дегенерация зрелых зародышевых мешков (этап зрелой семяпочки) являются эмбриологическими причинами низкой реальной семенной продуктивности О. baschkirensis.

Научная новизна. Впервые проведен эмбриологический анализ редкого эндемичного вида Южного Урала О. baschkirensis. Изучены морфогенез генеративных органов (пыльника и семяпочки), развитие мужского (пыльцевого зерна) и женского (зародышевого мешка) гаметофитов, зародыша. На основании комплексных фенологических, цито-гистологических, морфологических исследований выявлены эмбриологические причины снижения уровня реализации потенциальной семенной продуктивности вида в условиях интродукции.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные вносят вклад в решение проблем сравнительной эмбриологии цветковых растений.

Результаты, отражающие сопряженность морфогенеза генеративных органов в цветке в соответствии с определенными фенологическими фазами и морфометрическими показателями цветка и соцветия, могут быть использованы при разработке способов повышения реальной семенной продуктивности вида в условиях интродукции с целью получения достаточного качественного семенного материала для реинтродукционных работ. Эмбриологические данные могут найти применение в разработке биотехнологических способов получения растений О. baschkirensis в культуре in vitro. Полученные результаты могут использоваться в учебном процессе на биологических факультетах ВУЗов.

Связь работы с научными программами. Исследования поддержаны РФФИ-Агидель (грант 02-04-97907), выполнены в рамках программы «Ведущие научные школы Российской Федерации» (грант НШ 7637.2010.4, лидер школы - чл.-корр. РАН Т.Е. Батыгина, БИН РАН).

Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников по теме исследования, получении и анатизе экспериментального материала, описании результатов исследования, участии в формировании выводов.

Обоснованность выводов н достоверность результатов работы обеспечены достаточным объемом экспериментатьного материала, обработанного с применением современных математических методов.

Реализация результатов. Полученные результаты используются в работе базовой кафедры Башкирского государственного университета при ИБ УНЦ РАН.

збагачення бюрпномашття в ботажчних садах i дендропарках» (Ки)'в, 2010), Всероссийской научной конференции с международном участием, посвященной памяти С.С. Хохлова (Саратов, 2010), международной конференции «Биология развития: морфогенез репродуктивных структур и роль стволовых клеток в онтогенезе» (СПб., 2010), III Всероссийской научно-практической конференции «Биотехнология как инструмент сохранения биоразнообразия растительного мира» (Волгоград, 2010), международной научно-практической конференции «Инновационные биотехнологии в селекции растений» (Брянск-Брест, 2011), Всероссийской научной конференции с международным участием «ЭкоБиотех-2011» и II Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Современные методы и подходы в биологии и экологии» (Уфа, 2011), V международной конференции «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (СПб., 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследования, характеристики района исследования, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и приложения. Диссертация изложена на 183 страницах, в том числе 147 страницах основного текста, иллюстрирована 75 рисунками и 7 таблицами. Список литературы включает 299 работ, в том числе 52 - на иностранных языках.

ОБЪЕКТ, МЕТОДЫ И РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследования: средневозрастные генеративные растения, произрастающие в питомнике редких и исчезающих видов растений ИБ УНЦ РАН, расположенном на территории Ботанического сада-института УНЦ РАН (г. Уфа). Происхождение образца: РБ, Учалинский р-н, гора Микагир. Исследования проводились в 2006-2011 гг.

Методы исследований: метод фенологических наблюдений [Бейдеман, 1974]; метод наблюдений за цветением и опылением [Пономарев, I960]; метод оценки семенной продуктивности (СП) растений: потенциальной (ПСП), условно-реальной (УРСП), реальной (РСП) и коэффициента продуктивности семян (Клр) [Вайнагий, 1974; Методические.., 1980]. Определение возрастных состояний растений генеративного периода вели согласно диагнозам и ключам, составленным для О. baschkirensis [Маслова и др., 2006; Куватова, 2006]. Определение количества пыльцевых зерен в зрелом пыльнике проводили по [Савченко, 1982], выявление липидов в пыльниках - окрашиванием Суданом III [Барыкина и др., 2004], жизнеспособность пыльцы - проращиванием in vitro [Паушева, 1988].

Использовали общепринятые методы цитологических (светооптических) исследований [Барыкина и др., 2004]. Временные препараты окрашивали ацетокармином [Паушева, 1988], постоянные препараты - согласно методике тройного окрашивания [Камелина и др., 1992], ШИК-окрашиванию [Дженсен, 1975]. Препараты просматривали, фотографировали и измеряли с применением светового микроскопа Axio Imager 1 (Carl Zeiss, Jena), а также с помощью цифрового микроскопа проходящего света Микровизор mVizo-103 (ООО «JIOMO ФОТОНИКА», Санкт-Петербург).

Статистическую обработку полученных результатов вели с применением программы Microsoft Office Excel 2003.

Охарактеризованы природные особенности района интродукции. Приведен анализ метеорологических условий вегетационных периодов за годы исследования.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Фенологические наблюдения за развитием растений Oxytropis baschkirensis

Фенологические наблюдения за развитием средневозрастных генеративных растений, проведенные в 2006-2008 гг., показали, что О. baschkirensis в условиях интродукции проходит полный цикл фенологического развития, регулярно цветет и плодоносит. Фенологический ритм развития устойчивый.

Вегетация начинается в 11-Ш декаде апреля; бутонизация наблюдается в 1-11 декаде мая- II декаде июля-I декаде августа; начало цветения отмечено в III декаде мая-И декаде июня, массовое цветение - в III декаду июня-I декаду июля, конец цветения - в III декаду июля-1 декаду августа; завязывание плодов начинается с i декады июня, созревание плодов отмечено в июле-сентябре (рис. 1).

(IUI ..Г.ПИ» 'SJIO««..™. И «>«•""»Ш ■»»■•■■■"

Рис. 1. Феноспектры Oxytropis baschkirensis в условиях интродукции (п=25).

Эти данные, полученные в 2006-2008 гг., подтверждают результаты фенологического исследования О. baschkirensis в тех же условиях интродукции, полученные в 2002-2004 гг. [Маслова и др., 2006, 2009; Куватова, 2011].

Морфогенез пыльника, формирование и развитие пыльцевых зерен Oxytropis baschkirensis

Морфогенез пыльника, формирование и развитие пыльцевых зерен у О. baschkirensis проходят в фенофазы бутонизации и начала цветения. Сформированный пыльник, стенка гнезда которого представлена экзотецием, эндотецием, средним слоем и тапетумом, соответствует стадии микроспороцита (рис. 2б,в).' Зрелый пыльник содержит двуклеточные однопоровые пыльцевые зерна эллипсовидной формы, его стенка представлена экзотецием и эндотецием (рис. 2е). Пыльник вскрывается в закрытом цветке (рис. 2ж).

В целом, морфогенез пыльника и развитие пыльцевого зерна проходят согласно закономерностям, выявленным для видов сем. Fabaceae (обзоры [Davis, 1966; Поддубная-Арнольди, 1982; Чубирко, Кострикова, 1985; Prakash, 1987], монографии [Чеботарь и др., 1987; Верещагина и др., 2004; Колясникова, 2006]).

На основании анализа данных по формированию, дифференциации и специализации клеток тканей стенки гнезда, клеток спорогенной ткани и их производных, а также с учетом подхода к пыльнику как сложной интегрированной системе [Батыгина, 1983, 1987, 1994; Резникова, 1984], предложена периодизация морфогенеза пыльника О. baschkirensis (табл. 1).

Рис. 2. Морфогенез пыльника (а-е) и развитие пыльцевого зерна (в-е) у Охупорк ЬаясЬМгепэм Пояснения в тексте.

Таблица I

Периодизация морфогенеза сложной интегрированной системы пыльника Оху/горн Ьа.\скк1геп.*>1\

Цито-гистологические события, происходящие в пыльнике Этап

Заложение тычиночного бугорка; дифференциация тычиночного бугорка на пыльник и тычиночную нить; выделение в субэпидермальном слое лопасти пыльника клеток археспория, из которых формируются спорогенная ткань и ткани стенки гнезда пыльника. Формирование пыльника

Цитологические события, происходящие в спорогепных клетках и их производных Гистологические события, происходящие в тканях стенки гнезда пыльника

Стадия спорогенной клетки: формирование спорогенной ткани Формирование тканей стенки гнезда пыльника

Стадия микроспороцита: - фаза формирования и развития микроспороцита; фаза мейоза микроспороцита Сформированные ткани стенки гнезда пыльника (экзотеций, эндотеций, средний слой, галету м) Сформированный пыльник

Стадия микроспоры'. фаза формирования диад и тетрад микроспор; фаза развития микроспоры; фаза митоза микроспоры Развитие и специализация тканей стенки гнезда пыльника. Дегенерация клеток тапетума и среднего слоя; формирование фиброзных утолщений в оболочках клеток эндотеция Созревание пыльника

Стадия пыльцевого зерна: фаза формирования и развития пыльцевого зерна; фаза зрелого двуклеточного пыльцевого зерна Экзотеций, эндотеций с фиброзными утолщениями Зрелый пыльник

Морфогенез семяпочки, формирование и развитие зародышевого мешка ОхуКорсь Ьаьсик'и-епь'и

Морфогенез семяпочки, формирование и развитие зародышевого мешка у О ЬазМгепз15 (рис. 3) проходят в фенофазу бутонизации и массового цветения.

тттк Ш штш^ игл

— ®н ИГ Л - - . ' S ¡£¿2

ШЩ^ШШЖ

ШЫШШШШт

хМт^Шы--

I -ШШеЩШЗ i-'4ар-* -'^i I ^Mbl' • 1

11шшшш ШИ ШШК

МрКЭрШЩЩЗ

■ is

iiiSF

_____________„ВДВ1

Рис. 3. Морфогенез семяпочки (а-ж) и развитие зародышевого мешка (з-и) у

Oxytropis baschkirensis. Пояснения в тексте.

Формируется крассинуцеллятная, двупокровная, кампилотропная семяпочка с коротким толстым фуникулусом (рис. Зж). Зародышевый мешок развивается по типу Polygonum и в сформированном состоянии представлен 8-ядерной 7-клеточной структурой. Антиподы постепенно дегенерируют, и в состав готового к оплодотворению зрелого 5-ядерного 4-клеточного зародышевого мешка входят яйцевой аппарат (яйцеклетка и две синергиды) и центральная клетка с 2-мя

неслившимися полярными ядрами (рис. Зн).

В целом, морфогенез семяпочки и развитие зародышевого мешка аналогичны таковым у абсолютного большинства видов сем. Fabaceae (обзоры [Davis, 1966; Поддубная-Арнольди, 1982; Чубирко, Кострикова, 1985; Prakash, 1987], монографии [Чеботарь и др., 1987; Верещагина и др., 2004; Колясникова, 2006]).

На основании анализа цито-гистологических данных по формированию семяпочки, соотнесенных с данными по формированию и развитию зародышевого мешка а также с учетом подхода к семяпочке как сложной интегрированной системе [Батыгина, 1984; 1994; Шамров, 2008], предложена периодизация морфогенеза семяпочки О. baschkirensis (табл. 2).

Таблица 2

Периодизация морфогенеза сложной интегрированной системы семяпочки Охуиорк Ь(исИк1геп.\1$

Цито-гистологические события, происходящие в семяпочке Этап

Заложение меристематического бугорка; формирование нуцеллуса, фуникулуса и наружного ингегуменга, начало поворота семяпочки Формирование семяпочки

Цитологические события, происходящие в археспории и его протводпых Гистологические события, происходящие в тканях семяпочки

Стадия археспория: дифференциация в нупеллусе клетки археспория Рост и поворот семяпочки при формировании и развитии нуцеллуса, фуникулуса, наружного и внутреннего интегументов, подиума, формировании микропиле

Стадия мегаспорог/ита: фаза формирования и развития мегаспоро-цита; фаза мейоза мегаснороцита

Стадия мегаспоры: фаза диады мегаспор; фаза тетрады мегаспор, выделение функционирующей мегаспоры

Стадия формирующегося зародышевого мешка: фаза 1-ядерного зародышевого мешка; фаза 2-ядерного зародышевого мешка; фаза 4-ядерного зародышевого мешка; фаза 8-ядерного зародышевого мешка

Стадия сформированного зародышевого мешка: формирование 7-клеточного 8-ядерного зародышевого мешка РоК^опшп-типа Семяпочка с хорошо развитыми нуцеллусом (крассинуцеллятная), наружным и внутренним интегументами (двупокровная), значительно изогнутая (кампилотропная) Сформированная семяпочка

Стадия созревания зародышевого мешка: морфофизиологическая специализация клеток яйцевого аппарата и центральной клетки, дегенерация клеток антиподального комплекса Крассинуцеллятная двупокровная кампилотропная семяпочка Созревание семяпочки

Стадия зрелого зародышевого мешка: 4-клеточный 5-ядерный зародышевый мешок Крассинуцеллятная двупокровная кампилотропная семяпочка Зрелая семяпочка

Сопряженность морфогенеза генеративных органов в цветке ОхуЧгорк ЬазскМгет'к

Развитие соцветия, цветка и генеративных органов в цветке проходит сопряженно в соответствии с определенными фенофазами. В фенофазы начала бутонизации в цветке отмечены формирование пыльника и семяпочки, середины бутонизации - сформированный пыльник и продолжение формирования семяпочки, конца бутонизации - созревание пыльника и сформированная семяпочка. В фенофазы начала цветения в цветке наблюдаются зрелые пыльники и созревающие семяпочки, массового цветения - зрелые пыльники и зрелые

семяпочки. Полученные данные соотнесены с морфометрическими и морфологическими показателями соцветия и цветка (табл. 3).

Таблица 3

Сопряженность морфогенеза генеративных органов в цветке ОлуГгорк ЬачсЬккепш в условиях интродукции (п=25)

Фенофаза развития соцветия Длина соцветия, см Длина бутона/ цветка, мм Морфология цветка Соотношение длины венчика и чашечки* Этап морфогенеза пыльника** Этап морфогенеза семяпочки**

Бутонизация (начало) 2,2±0,1 1,5*0,06 Венчик скрыт в чашечке с Формирование пыльника Формирование семяпочки

Бутонизация (середина) 2,7±0,1 2,2±0,0б Венчик на треть выступает над чашечкой с Сформированный пыльник

Бутонизация (конец) 3,1 ±0,1 2,5±0,06 Венчик по длине совпадает с длиной чашечки ш Созревание пыльника Сформированная семяпочка

Цветение (качало) 4„5±0.2 3,8±0,07 Венчик по длине на две трети выше чашечки Зрелый пыльник Созревание семяпочки

Цветение (массовое) 6,2±0,2 4,5*0,07 Венчик намного выше чашечки Щ Зрелая семяпочка

ЧиЧЛ\Ч чклил. УкЧЧ. lipi.lV""""«""-.....- — ------

вами по отношению к О ЬахШгепт "учитывая некоторую асинхронность развития пыльников/семяпочек в пределах одного цветка, в таблицу вносили показатели, соответствующие этапу морфогенеза пыльника/семяпочки, если на этом этапе морфогенеза находилось абсолютное большинство пыльников/семяпочек.

В целом, в пределах цветка О. Ьа$скк1ггпз1$ наблюдается сопряженность в морфогенезе пыльников и семяпочек при более ускоренном развитии пыльника. Цветки, таким образом, дихогамны в форме протандрии. Это косвенно подтверждается и данными по вскрыванию пыльников и высыпанию пыльцы в закрытом цветке (рис. 2ж), не завершающимся опылением этого цветка. Протандричность цветков рассматривается как вариант приспособления к перекрестному опылению, препятствующий или огранивающий самоопыление [Эмбриология цветковых.., 2000].

Представленные в таблице 3 данные позволяют по морфологическим и морфометрическим показателям соцветия и цветка О. ЬаисЬк1геп.и5 установить, какие морфогенетические процессы проходят в цветке в определенную фенофазу с тем, чтобы определить характер и время возникновения нарушений генеративных органов, приводящих к снижению потенциальной семенной продуктивности, а также определить точные сроки проведения экспериментальных работ по снижению таких нарушений, а значит, увеличению реальной семенной продуктивности.

Цветение и опыление ОхучгорЬ ЬюсИМгетк

Соцветие О. ЬавМгепх'и - кисть укороченная (после отцветания удлиненная) многоцветковая, располагается в пазухе листа; цветочная стрелка длинная. Порядок зацветания цветков в соцветии - акропетальный.

Приведем данные по суточной динамике цветения 21 июня 2009 г. в фенофазу массового цветения. Раскрывание цветков начиналось после 8 ч, постепенно нарастало, наиболее интенсивно отмечалось от 12 до 16 ч, затем интенсивность раскрывания постепенно снижалась, и к 22 ч раскрывание цветков прекращалось. Наибольшее количество цветков раскрывалось в первую половину дня, достигая пика (30 цветков) в 14 ч при максимальной температуре воздуха (26°С) и пониженной относительной влажности воздуха (75%) (рис. 4).

11 я

Рис. 4. Суточная динамика цветения Оху1трп Л(;\сЛА(УснмЧ в условиях интродукции (21.06.2009).

1 - число распустившихся цветков, шт;

2 - температура воздуха,°С;

-1 -2 3 3 - относительная влажность

воздуха, %.

Процесс раскрывания одного цветка длится 1,5-2 ч. Цветок находится в экспозиционном состоянии около 2-3 суток. Отмечено перекрестное опыление по клапанному механизму шмелями рода ВотЬш, активными с 12 до 17 ч.

Таким образом, для О. Ьа$скк,гет1$ отмечен дневной тип раскрывания цветков, длительное сохранение жизнеспособности одного цветка и клапанный тип опыления, что характерно для большинства энтомофильных бобовых [Фегри Пейл 1982; Френкель, Галун, 1982], в том числе других представителей рода Отгори [Белковская, 1989; Холина, 2005; Елизарьева, 2009].

Морфогенез зародыша Оху1гор1ь ЬюсккЬетЬ

Морфогенез зародыша О. Ьажккгети отмечен в фенофазу цветения.

Полярные ядра центральной клетки зародышевого мешка сливаются до оплодотворения. По таким признакам, как поперечное деление зиготы (рис. 56) и Т-образное расположение четырехклеточного зародыша (рис. 5в) ранний морфогенез зародыша О. ЬазМгет^з проходит согласно Опа8гас1-типу эмбриогенеза, характерному для большинства представителей сем >аЬасеае [Анисимова, 1997].

Образуется многоклеточный зародыш (рис. 5г). Основные части зрелого зародыша (семядоли, подсемядольное колено, зачатки стебля и корня) формируются постепенно из апикальной части зародыша. В целом, развитие зародыша проходит без отклонений от нормы и типично для видов сем РаЬасеае (обзоры рау.з, 1966; Поддубная-Арнольди, 1982; Чубирко, Кострикова 1985 РгакаБЬ, 1987], монографии [Чеботарь и др., 1987; Верещагина и др ' 2004' Колясникова, 2006]).

•м-'' 1

I • . ^ V,-. Г"

. ' ' ; -

' ■ -о

Рис. 5. Ранние этапы морфогенеза зародыша Оху1гор'а ЬаэсИМгепэ!* по Опа§гас1-типу.

Пояснения в тексте.

Семенная продуктивность ОхуКор'я ЬаэсИШгеюЫ

В годы исследований (2008-2010) семенная продуктивность соцветий реализуется на низком уровне (рис. 6). Так, плодообразование составляет в среднем от 28 5 до 67,0%; соотношение семян в показателе условно-реальной семенной продуктивности: выполненные - 43,9-88,8%, щуплые - 8,8-27,0%, пораженные -2,3-25,1%; Кпр2 (отношение показателя реальной семенной продуктивности к показателю потенциальной семенной продуктивности) соцветия составляет в среднем от 3,3 до 24,7%, в зависимости от года исследований (различия достоверны по критерию Стьюдента).

йд.

-1

ЕЭ^-

2009

Я чуплые семена □ пора««

иъ

Рис 6. Семенная продуктивность соцветий Оху1горЫ ЬахНЮгенхк в условиях интродукции (11=25) (2008-2010 гг.).

Низкая реальная семенная продуктивность характерна для бобовых - как дикорастущих [Белковская, 1984, 1989; Куватова, 2011], так и введенных в культуру [Верещагина и др., 2004; Колясникова, 2006; Кузьменко, 2009; Елизарьева, 2009; Елтышева, 2011]. Причинами низкой реальной семенной продуктивности исследователи называют недостаток опылителей, повреждение плодов насекомыми-фитофагами, редукцию цветков и плодов, недостаточность обеспечения семяпочек питательными веществами, а также ряд эмбриологических причин.

Анализ аномалий и дегенерации пыльцевых зерен и зародышевых мешков Оху/гори Ьазс/МгепэЬ

Для выявления эмбриологических причин снижения потенциальной семенной продуктивности О Ьазскки-еп81$ провели исследование аномалий в развитии генеративных органов (пыльника и семяпочки) и дегенерации зрелых пыльцевых зерен и зрелых зародышевых мешков.

Анализ данных по формированию и развитию пыльника показал следующее. Аномалии в развитии пыльцевых зерен начинают возникать на этапе созревания пыльника, стадии микроспоры. Отмечены 5-6 клеточные структуры (результат аномального формирования тетрад), деформированные микроспоры, а также аномалии отдельных слоев стенки пыльника и деструкция всего пыльника. Аномальные микроспоры останавливаются в развитии и подвергаются деструкции. Пыльники с такими аномалиями составляют в среднем: 10,3% в 2008 г., 7,9% в 2009 г., 23,9% в 2010 г. от просмотренных.

На этапе зрелого пыльника в каждом из просмотренных пыльников помимо нормальной пыльцы отмечены дегенерировавшие пыльцевые зерна. Причинами дегенерации стали аномалии клеточные (двуклеточные структуры, представленные равными клетками; гигантские пыльцевые зерна; трехпоровые пыльцевые зерна; деформированные пыльцевые зерна), ядерные (выбросы ядерного материала в цитоплазму, пыльцевые зерна без ядерного материала), цитоплазматические (нарушение вакуолизации с образованием «пузырчатой» цитоплазмы, сжатие цитоплазмы пыльцевых зерен). Степень дегенерации пыльцевых зерен (СДПЗ) в зрелых пыльниках составляет в среднем от 26,2 до 44,7%, нормальных по морфологии пыльцевых зерен отмечено от 55,3 до 73,8%, по годам исследования (рис. 7а).

Рис. 7. Соотношение нормальных и дегенерировавших пыльцевых зерен (СДПЗ) в зрелых пыльниках (а), соотношение нормальных и дегенерировавших зародышевых мешков (СДЗМ) в зрелых семяпочках (б) ОхуГтрн ЬтсЫитпш в условиях интродукции (2008-2010).

В появление аномальных и дегенерировавших пыльцевых зерен О ЬахсИ/игет^э могли внести вклад неблагоприятные погодные условия при закладке и формировании пыльников, что хорошо демонстрирует сравнение показателей СДПЗ, например, в 2009 г. (благоприятный год: количество осадков в мае составию 44,0% от нормы, в июне - 50,3%; среднемесячная температура в мае выше нормы на 5,2 С, в июне - на 2,6°С) и 2010 г. (неблагоприятный засушливый год: количество осадков в мае составило 40,0% от нормы, в июне - 16,4%; среднемесячная температура значительно выше нормы: в мае - на 9 4°С в июне -на 6,3°С).

Анализ данных по формированию и развитию семяпочки показал следующее. Формирование и развитие зародышевого мешка вплоть до этапа сформированной семяпочки проходит без отклонений от нормы. На этапе сформированной семяпочки (стадия сформированного зародышевого мешка) отмечены аномалии клеточные (зародышевые мешки без клеточного содержимого, нарушение поляризации клеток яйцевого аппарата, отсутствие отдельных клеток яйцевого аппарата) и ядерные (зародышевые мешки с нарушениями расхождения ядер к полюсам). Аномальные зародышевые мешки останавливаются в развитии и подвергаются деструкции. Количество аномальных зародышевых мешков составило в среднем 5,3% в 2008 г., 3,8% в 2009 г., 6,5% в 2010 г. от просмотренных. Появление аномальных зародышевых мешков на этапе сформированной семяпочки можно рассматривать как следствие действия неблагоприятных погодных условий при закладке и формировании генеративных органов, как и в случае с пыльцевыми зернами.

На этапе зрелой семяпочки (стадия зрелого зародышевого мешка) отмечено значительное количество дегенерировавших зрелых зародышевых мешков. Степень дегенерации зрелых зародышевых мешков (СДЗМ) составила от 72,4 до 93,3%, в зависимости от года исследования (рис. 76). Согласно данным цито-гистологического анализа, причина дегенерации зрелых зародышевых мешков состоит в отсутствии оплодотворения яйцеклеток.

Выявлена отрицательная корреляционная зависимость между показателями УРСП (отражает количество завязавшихся семян на соцветие) и СДЗМ (г=-0,99), УРСП и СДПЗ (г=-0,90). В первом случае такая зависимость очевидна: чем выше СДЗМ, тем ниже УРСП. Во втором случае влияние СДПЗ опосредуется через дегенерацию зрелых зародышевых мешков вследствие их неоплодотворения.

Таким образом, эмбриологическими причинами низкой реальной семенной продуктивности О. baschkirensis являются аномалии в развитии пыльцевых зерен, значительная дегенерация зрелых пыльцевых зерен, аномалии в развитии зародышевых мешков, значительная дегенерация зрелых зародышевых мешков.

На наш взгляд, основной из этих причин является значительное количество дегенерировавшей зрелой пыльцы. Высокий показатель СДПЗ, доходящий до 44,7%, опосредованно влияет на показатель УРСП через неоплодотворение нормальных зрелых зародышевых мешков, т.е. через недостаточность опыления.

Проблема образования различного рода аномалий и дегенерации пыльцы активно обсуждается в литературе. Действительно, качество зрелой пыльцы во многом определяет способность амфимиктично размножающихся растений к формированию полноценных семян. Абсолютное большинство авторов полагают, что аномалии и дегенерация пыльцы у амфимиктов - это ответные реакции на воздействие внешних неблагоприятных факторов [Гудкова, 2000; Рощина, Мельникова, 2001; Николаевская, 2002; Hsu, 2003; Reyes, 2007; Солнцева, Глазунова, 2010]. Это подтверждается и нашими данными по О. baschkirensis.

Высказано мнение и об иных причинах дегенерации репродуктивной сферы у растений: резкая смена местообитания [Куприянов, 1983], в том числе интродукция [Левина, 1981], способ размножения и генетические факторы [Куприянов, 1983], апоптоз [Батыгина, 1996]. Проявление этих факторов у О. baschkirensis в условиях интродукции в сопоставлении с природными условиями еще предстоит исследовать. Однако ясно, что обусловленные дегенерацией пыльцы низкие показатели реальной семенной продуктивности являются одной из причин редкости этого эндемичного вида.

ВЫВОДЫ

1. В условиях интродукции Oxytropis baschkirensis проходит полный цикл фенологического развития, регулярно цветет и плодоносит. Фенологический ритм развития устойчивый. По срокам цветения это растение летнего (среднелетного) цикла цветения. Порядок зацветания цветков в соцветии - акропетальный. Тип распускания цветков - дневной. Семенная продуктивность вида реализуется на низком уровне (коэффициент продуктивности соцветия в среднем от 3,3 до 27,0%).

2. Морфогенез пыльника и развитие пыльцевого зерна проходят согласно закономерностям, характерным для представителей сем. Fabaceae: стенка зрелого пыльника двуслойна, представлена экзотецием и эндотецием; зрелые пыльцевые зерна двуклеточные, однопоровые, эллипсовидные. Зрелый пыльник вскрывается в закрытом цветке.

3. Морфогенез семяпочки и развитие зародышевого мешка проходят согласно закономерностям, выявленным для видов сем. Fabaceae: зрелая семяпочка крассинуцеллятная, двупокровная, кампилогропная; развитие зародышевого мешка по Polygonum-THny, зрелый зародышевый мешок четырехклеточный, пятиядерный.

4. Морфогенез зародыша проходит согласно Onagrad-типу, как у большинства представителей сем. Fabaceae.

5. Развитие соцветия, цветка и генеративных органов в цветке проходит сопряженно в соответствии с определенными фенологическими фазами. В фенофазы начала бутонизации в цветке отмечены формирование пыльника и семяпочки, середины бутонизации - сформированный пыльник и продолжение формирования семяпочки, конца бутонизации - созревание пыльника и сформированная семяпочка. В фенофазы начала цветения в цветке наблюдаются зрелые пыльники и созревающие семяпочки, массового цветения - зрелые пыльники и зрелые семяпочки.

6. Выявлены эмбриологические причины снижения уровня реализации потенциальной семенной продуктивности: аномалии в развитии пыльцевых зерен (этап созревания пыльника), дегенерация зрелых пыльцевых зерен (этап зрелого пыльника), аномалии в развитии зародышевых мешков (этап сформированной семяпочки), дегенерация зрелых зародышевых мешков (этап зрелой семяпочки).

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК МОИ РФ

1. Круглова А.Е. Эмбриология редкого вида Южного Урала остролодочника сходного: морфогенез пыльника // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. №6(100). С. 172-173.

2. Круглова А.Е., Катасонова A.A., Маслова Н.В. Эмбриология редкого вида Южного Урала остролодочника сходного: морфогенез семяпочки // Известия Самарского НЦ РАН. 2010. Т. 12, № 1 (3). С. 727-729.

3. Круглова А.Е. Оценка качества пыльцевых зерен в зрелых пыльниках остролодочника сходного в условиях интродукции // Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле. 2011. Вып. 1. С. 67-74.

4. Круглова А.Е. Эмбриология редкого вида Южного Урала остролодочника сходного: морфогенез зародыша // Известия Самарского НЦ РАН 2011 Т 13 (39), № I (4). С. 846-848.

5. Круглова А.Е., Маслова Н.В. Сопряженность морфогенеза генеративных органов в цветках растений остролодочника Oxytropis DC. (Fabaceae Lindl) // Известия Самарского НЦРАН. 2011. Т. 13, №5 (3). С. 59-63.

6. Круглова А.Е. Периодизация морфогенеза пыльника растений рода остролодочник Oxytropis DC. (Fabaceae) // Известия Самарского НЦ РАН 2011 Т. 13, № 5(3). С. 55-58.

Публикации в других изданиях

7. Круглова А.Е., Маслова Н.В. Эмбриологический анализ остролодочника сходного Oxytropis ambigua (Pall.) DC. в условиях интродукции: развитие пыльника // IX Всеросс. популяцион. семинар «Особь и популяция - стратегия жизни»: Материалы. Уфа, 2006. С. 132-135.

8. Круглова А.Е. Цито-гистологический анализ морфогенеза пыльника остролодочника сходного Oxytropis ambigua (Pall.) DC. // Современные микроскопические исследования в биологии и медицине. М.: Лабора, 2006. С. 24-26.

9. Круглова А.Е. Эмбриологический подход к проблеме сохранения редкого и исчезающего эндемика Южного Урала остролодочника сходного // Аграрная Россия. 2009. Спецвыпуск. С. 111.

10. Круглова А.Е. Морфогенез пыльника эндемика Южного Урала •остролодочника сходного // 111 междунар. школа молодых ученых

«Эмбриология, генетика, биотехнология» (Саратов, 29 июня-3 июля 2009 г.): Материалы. Саратов, 2009. С. 175-176.

11. Круглова А.Е. Периодизация морфогенеза пыльника остролодочника сходного Oxytropis ambigua (Pall.) DC. // Междунар. конф. «Интродукция растений: теоретические, методические и прикладные проблемы» (Йошкар-Ола, 10-14 августа 2009 г.): Материалы. Йошкар-Ола, 2009. С. 178-181.

12. Круглова А.Е. Сравнительный анализ морфогенеза семяпочки растений рода Oxytropis в природных условиях и при интродукции // Междунар. конф. «Биология развития: морфогенез репродуктивных структур и роль стволовых клеток в онтогенезе» (СПб., 13-16 декабря 2010 г.): Материалы. СПб., 2010. С. 75-77.

13. Маслова Н.В., Круглова А.Е. Рост и развитие растений Oxytropis ambigua (Pall.) DC. (Fabaceae) в условиях интродукции // Бюлл. Ботан. сада Саратовского государственного университета. 2010. Вып. 9. С. 89-93.

14. Круглова А.Е. Данные по эмбриологии редких и находящихся под угрозой исчезновения видов рода остролодочник как основа для разработки биотехнологических способов их сохранения: к постановке проблемы // Междунар. конф. «Современная биотехнология: фундаментальные проблемы, инновационные проекты и биотехнология» (Брянск-Киев, 26 апреля-8 мая 2010 г.): Материалы. Брянск, 2010. С. 75-79.

15. Круглова А.Е. Оценка жизнеспособности пыльцевых зерен остролодочника сходного в условиях in vivo и in vitro по прижизненной кислотности // Междунар. конф. молодых ученых «Актуальные проблемы ботаники и экологии» (Ялта, 2125 сентября 2010 г.): Материалы. Ялта, 2010. С. 379-380.

16. Круглова А.Е. Качественная оценка пыльцевых зерен в зрелых пыльниках остролодочника сходного Oxytropis ambigua (Pall.) DC. // Междунар. научно-практ. конф. «Беккеровские чтения» (Волгоград, 27-29 мая 2010 г.): Материалы. Волгоград, 2010. С. 112-113.

17. Круглова А.Е. Периодизация развития пылышка растений-интродуцентов рода Oxytropis (Fabaceae) // М1жнар. наук. конф. «1нтродукшя рослин, збереження та збагачення бшрЬноманггся в боташчних садах i дендропарках» (15-17 вересня 2010 р.): Матер1али. КиТв: Ф'тосошоцентр, 2010. С. 67-69.

18. Круглова А.Е. Развитие семяпочки и зародышевого мешка растений рода Oxytropis в условиях интродукции // Всеросс. науч. конф. с междунар. участием (Саратов, 29 сентября-1 октября 2010 г.): Материалы. Саратов, 2010. С. 174-176.

19. Круглова А.Е. Морфогенез генеративных органов интродуцированных растений Oxytropis DC. (Fabaceae Lindl.) из флоры Южного Урала // V междунар. науч. конф. «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (СПб., 14-17 ноября 2011 г.): Материалы. СПб., 2011. С. 299-301.

Круглова Анна Евгеньевна

ЭМБРИОЛОГИЯ РЕДКОГО ЭНДЕМИКА ЮЖНОГО УРАЛА OXYTROPIS BASCHKIRENSIS KNJASEV (FABACEAE LINDL.) В УСЛОВИЯХ ИНТРОДУКЦИИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 23.12.2011 г. Формат 60x86/16. Усл. печ. л. 0,92. Уч.-изд. л. 1,07. Тираж 100 экз. Заказ 281

Отпечатано с готовых диапозитивов

в ООО «Принт+» 450054, РБ, г.Уфа, пр.Октября, 71

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Круглова, Анна Евгеньевна, Уфа

61 12-3/443

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ УФИМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

КРУГЛОВА АННА ЕВГЕНЬЕВНА

ЭМБРИОЛОГИЯ РЕДКОГО ЭНДЕМИКА ЮЖНОГО УРАЛА OXYTROPISBASCHKIRENSIS KNJASEV (FABACEAE LINDL.) В УСЛОВИЯХ ИНТРОДУКЦИИ

03.02.01 - Ботаника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -кандидат биологических наук, доцент старший научный сотрудник Маслова Наталья Владимировна

Уфа-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ЭМБРИОЛОГИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА FABACEAE LINDL. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Эмбриология растений сем. Fabaceae 11 1.1.1 .Формирование и развитие пыльника у видов сем. Fabaceae 11

1.1.2. Формирование и развитие семяпочки у видов сем. Fabaceae 22

1.1.3. Формирование и развитие зародыша и эндосперма у видов

сем. Fabaceae 32

1.2. Элементы репродуктивной биологии у видов сем. Fabaceae 40

1.2.1. Морфология соцветия и цветка у видов сем. Fabaceae 40

1.2.2. Цветение и опыление у видов сем. Fabaceae 41

1.2.3. Семенная продуктивность у видов сем. Fabaceae 43 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИНТРОДУКЦИИ

2.1. Объект исследования 51

2.2. Методы исследования 58

2.3. Характеристика района интродукции 62 ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Фенологические наблюдения за развитием растений Oxytropis baschkirensis в условиях интродукции 65

3.2. Формирование и развитие генеративных органов и зародыша Oxytropis baschkirensis в условиях интродукции 69

3.2.1. Формирование и развитие пыльника Oxytropis baschkirensis 69

3.2.1.1. Морфогенез пыльника Oxytropis baschkirensis 69

3.2.1.2. Оценка аномалий и дегенераций пыльцевых зерен в пыльниках Oxytropis baschkirensis на разных этапах развития 83

3.2.1.3. Оценка жизнеспособности зрелых пыльцевых зерен

ЬазскЫгетгя 91

3.2.2. Формирование и развитие семяпочки Оху1гор1$ Ьа8с1гЫгет1з 94

3.2.2.1. Морфогенез семяпочки ЬазскИгет^я 94

3.2.2.2. Оценка аномалий и дегенераций зародышевых мешков в семяпочках ОхуКоргз ЪазскЫгетгя на разных этапах развития 108

3.2.3. Сопряженность развития генеративных органов в цветке Оху/гори Ъа$скк1гет18 114

3.2.4. Морфогенез зародыша (эмбриогенез) Оху&ор1$ ЪаясЫйгетгь 121

3.3. Цветение и опыление Оху1гор1я ЬазскИгетгя в условиях интродукции 127

3.3.1. Морфология соцветия и цветка Оху1гор1$ ЬаБсккггетгз 127

3.3.2. Суточная динамика цветения Оху^ор'м ЬазскЫгеж'м 129

3.3.3. Оценка возможности автогамии у Оху^орЬ ЪавскЫгетгз 132

3.4. Семенная продуктивность Обгори ЬаясШгегаи в условиях интродукции 134

3.4.1. Морфология плодов и семян Оху1гор1$ Ьа8скМгет18 134

3.4.2. Семенная продуктивность Оху1гор1$ Ъа$сИк1гет18 136 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147 ВЫВОДЫ 153 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 155 ПРИЛОЖЕНИЕ 181

ВВЕДЕНИЕ

Одним из эффективных приемов сохранения, размножения и увеличения численности особей редких и исчезающих видов является их интродукция в питомники ботанических садов [Стратегия ботанических садов.., 1993; Редкие и исчезающие виды.., 1983; Камелин, 1997; Семенова, 2001; Абрамова и др., 2004; и др.]. Коллекции интродуцированных редких видов могут стать базой для их реинтродукции (репатриации) в естественные местообитания и тем самым - сохранения и восстановления природных популяций [Трулевич, 1991; Амельченко, 2002; Мулдашев и др., 2008].

В то же время для проведения реинтродукционных работ требуется значительное количество качественных семян интродуцированных растений. По отношению к О. baschkirensis эта проблема особенно актуальна, поскольку реальная семенная продуктивность растений этого вида и в природных условиях, и при интродукции не превышает 10% на растение [Куватова, 2011].

по формированию и развитию генеративных органов (пыльника и семяпочки) и зародыша, в соотнесении с оценкой потенциальной и реальной семенной продуктивности.

Цель и задачи исследований. Цель работы состояла в изучении эмбриологии и элементов репродуктивной биологии Оху^оргБ ЬарсккЬ-ет'т в условиях интродукции.

Для достижения поставленной цели были решены задачи:

1. Провести наблюдения за фенологическим развитием и выявить особенности цветения и опыления растений.

2. Исследовать морфогенез пыльника, семяпочки и зародыша.

3. Выявить сопряженность развития генеративных органов (пыльника и семяпочки) в цветке.

4. Дать оценку аномалий и дегенераций пыльцевых зерен и зародышевых мешков.

5. Изучить потенциальную, условно-реальную и реальную семенную продуктивность растений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Морфогенез генеративных органов (пыльника и семяпочки) и зародыша, формирование и развитие мужского (пыльцевого зерна) и женского (зародышевого мешка) гаметофитов у О. ЪаъскЫгетгз проходят согласно закономерностям, выявленным для видов сем. ГаЬасеае. Морфогенетические процессы формирования и развития генеративных органов в цветке проходят сопряженно.

2. Аномалии в развитии пыльцевых зерен (этап созревания пыльника), дегенерация и невысокая жизнеспособность зрелых пыльцевых зерен (этап зрелого пыльника), аномалии в развитии зародышевых мешков (этап сформированной семяпочки), дегенерация зрелых зародышевых мешков (этап зрелой семяпочки) являются эмбриологическими причинами низкой реальной семенной продуктивности О. ЪаяскЫгетгБ.

Научная новизна. Впервые проведен эмбриологический анализ редкого эндемичного вида Южного Урала О. baschkirensis. Изучены морфогенез генеративных органов (пыльника и семяпочки), развитие мужского (пыльцевого зерна) и женского (зародышевого мешка) гаметофитов, зародыша. На основании комплексных фенологических, цито-гистологических, морфологических исследований выявлены эмбриологические причины снижения потенциальной семенной продуктивности вида в условиях интродукции.

Результаты, отражающие сопряженность морфогенеза генеративных органов в цветке в соответствии с определенными фенологическими фазами и морфометрическими показателями цветка, могут быть использованы при разработке способов повышения реальной семенной продуктивности О. baschkirensis в условиях интродукции с целью получения достаточного семенного материала для реинтродукционных работ. Эмбриологические данные могут найти применение в разработке биотехнологических спрсобов получения растений О. baschkirensis в культуре in vitro. Полученные результаты могут использоваться в учебном процессе на биологических факультетах ВУЗов.

Связь работы с научными программами. Исследования поддержаны РФФИ-Агидель (грант 02-04-97907), выполнены в рамках программы «Ведущие научные школы Российской Федерации» (грант НТТТ 7637.2010.4, лидер школы - член-корр. РАН Т.Б. Батыгина, БИН РАН).

Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников по теме исследования, получении и анализе экспериментального материала, описании результатов исследования, участии в формировании выводов.

Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены значительным объемом экспериментального материала, обработанного с применением современных математических методов.

Апробация работы. Результаты исследования представлены на IX Всероссийском популяционном семинаре «Особь и популяция - стратегия жизни» (Уфа, 2006), III международной школе молодых ученых «Эмбриология, генетика, биотехнология» (Саратов, 2009), международной конференции «Интродукция растений: теоретические, методические и прикладные проблемы» (Йошкар-Ола, 2009), международной конференции «Современная биотехнология: фундаментальные проблемы, инновационные проекты и бионанотехнология» (Брянск-Киев, 2010), II Всероссийской научно-практической конференции «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (Самара, 2010), международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы ботаники и экологии» (Ялта, 2010), международной научно-практической конференции «Беккеровские чтения» (Волгоград, 2010), международной научной конференции «1нтродукщя рослин, збереження та збагачення бюр1зномашття в боташчних садах I дендропарках» (Кшв, 2010), Всероссийской научной конференции с международном участием, посвященной памяти С.С. Хохлова (Саратов, 2010), международной конференции «Биология развития: морфогенез репродуктивных структур и роль стволовых клеток в онтогенезе» (СПб., 2010), III Всероссийской научно-практической конференции «Биотехнология как инструмент сохранения биоразнообразия растительного мира» (Волгоград, 2010), международной научно-практической конференции «Инновационные биотехнологии в селекции растений» (Брянск-Брест, 2011), Всероссийской научной конференции с международным участием «ЭкоБиотех-2011» и II Всероссийской школе-конференции молодых ученых

«Современные методы и подходы в биологии и экологии» (Уфа, 2011), V международной научной конференции «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (СПб., 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК МОН РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследования, характеристики района исследования, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и приложения. Диссертация изложена на 183 страницах, в том числе 154 страницах основного текста, иллюстрирована 82 рисунками и 10 таблицами. Список литературы включает 285 работ, в том числе 44 - на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю - старшему научному сотруднику, доценту, к.б.н. Масловой Н.В., а также старшему научному сотруднику к.б.н. Мулдашеву A.A. за ценные консультации; научному сотруднику к.б.н. Елизарьевой O.A. за обсуждение ряда вопросов диссертации; научному сотруднику к.б.н. Зайцеву Д.Ю. за помощь в оформлении работы; всем сотрудникам лаборатории экспериментальной эмбриологии растений и лаборатории геоботаники и охраны растительности Института биологии Уфимского НЦ РАН за помощь и поддержку.

ГЛАВА 1. ЭМБРИОЛОГИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ РЕПРОДУКТИВНОЙ БИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА FABACEAp LINDL.

(ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 1.1. Эмбриология растений семейства Fabaceae

Эмбриология растений - наука о закономерностях зарождения и первых этапов развития растительного организма. Предмет этой ботанической науки - исследование формирования и развития генеративных органов (пыльник и семяпочка) и зародыша растений [Батыгина, 1994а].

1.1.1. Формирование и развитие пыльника у видов сем. Fabaceae Общие подходы к изучению пыльника цветковых растений Пыльник - плодущая (фертильная) часть тычинки, специализированный генеративный орган семенного растения, основная функция которого связана с формированием и развитием мужских гаметофитов - пыльцевых зерен, содержащих мужские гаметы - спермии. Кроме того, это система специализированных гетерогенных клеток, предназначенная для защиты, питания и рассеивания пыльцы. Пыльник состоит из небольшого числа высокоспециализированных тканей (спорогенной ткани с ее производными и тканей стенки гнезда), имеющих общее происхождение. Спорогенная часть пыльника по своей сути - это микроспорангий [Поддубная-Арнольди, 1976; Эзау, 1980; Банникова, Хведынич, 1982; Камелина, 1994а; Батыгина, Васильева, 2002].

Первые морфологические описания пыльника и пыльцевых зерен относятся к концу XVII в. (по [Камелина, 1994а]). К настоящему времени пыльник и его развитие у представителей различных семейств покрытосеменных растений изучены достаточно подробно (монографии: [Сравнительная эмбриология, 1981; Поддубная-Арнольди, 1982; Embryology of Angiosperms, 1984; Эмбриология растений.., 1990а,б; Эмбриология цветковых растений, 1994; Эмбриологические основы.., 2005]). Полученные результаты используются для изучения ряда общебиологических проблем, таких как дифференциация клеток, морфогенез, апоптоз, стволовость

[Резникова, 1984; Батыгина, 1994в; Ковалева и др., 2000; Батыгина и др., 2004; Shivanna, Johri, 2005; Батыгина, Рудский, 2006; Blackmore, Barnes, 2007], а также для разработки различных прикладных вопросов генетики, селекции, биотехнологии [Эмбриология растений.., 1990а,б; Эмбриологические основы.., 2005; Орлов, 2006; От микроспоры - к сорту, 2010].

Дифференциация пыльника проходит на тычиночном бугорке. Примордии тычинок - осевые структуры. После заложения тычинкам продолжительное время свойственен апикальный рост, который сменяется интеркалярным [Эзау, 1980]. С увеличением размера тычиночного бугорка в нем происходит образование четырех лопастей пыльника одновременно с формированием специализированной ткани - связника. Далее каждая лопасть преобразуется в гнездо пыльника (микроспорангий). Два латеральных гнезда составляют теку; теки соединены между собой связником, в котором начинает формироваться единственный сосудисто-проводящий пучок. Чаще всего пыльник содержит четыре микроспорангия, в большинстве случаев расположенных симметрично. Проводящая система представлена одним или несколькими проводящими пучками, следующими из тычиночной нити в связник (по [Камелина, 1994а]).

Развитие пыльника предложено разграничить на три периода -премейотический, мейотический и постмейотический [Резникова, 1984].

Премейотический период характеризуется усиленной митотической активностью, в результате которой формируются стенка пыльника и спорогенная ткань, т.е. происходит образование микроспорангиев. При этом в субэпидермальном слое меристемы каждого развивающегося гнезда пыльника дифференцируются клетки одно-, или многослойного археспория, отличающиеся от окружающих клеток более плотной цитоплазмой и крупным ядром с ядрышком. Клетки археспория претерпевают антиклинальные деления, что ведет к увеличению их количества по длине пыльника. В ходе дальнейшего развития клетки археспория делятся

периклинально, отделяя в сторону эпидермиса клетки париетального слоя, а к центру гнезда пыльника - клетки спорогенной ткани. Высказано мнение, что процесс развития спорогенной ткани контролируется генетическими факторами, подготавливающими дифференциацию [Goldberg et al., 1993]. Параллельно со стороны связника некоторые клетки меристемы дифференцируются в париетальный слой, окружая спорогенную ткань. В целом, в ходе развития пыльника в каждой его лопасти формируется тяж спорогенных клеток, окруженный кольцом париетальных клеток двойственного происхождения. Этот период завершается с прекращением митотических делений спорогенных клеток и преобразованием их микроспороциты (материнские клетки микроспор), характеризующихся большими размерами, плотной цитоплазмой и крупными ядрами.

В ходе мейотического периода происходит мейоз микросцороцитов, приводящий к образованию сначала диады, а затем тетрады гаплоидных микроспор, первых клеток гаметофитного поколения. Во время I мейотического деления форма микроспороцитов значительно меняется: клетки становятся более широкими и плоскими, приближаясь по очертаниям к трехосным эллипсоидам, сплюснутым в радиальном направлении. По-видимому, подобные изменения формы микроспороцитов обусловлены ростом микроспорангиев и увеличением площади их стенки. Таким образом, в течение I мейотического деления форма протопластов микроспороцитов меняется от клиновидной до сплюснуто-эллипсоидальной, при этом наименьшая ось ориентирована в гнездах пыльника радиально. Веретено деления ориентируется по направлению наибольшей оси микроспороцита, а первая перегородка образуется перпендикулярно к ней. В результате в гнезде пыльника формируются диады микроспор характерной формы: со стороны перегородки их протопласты, как и оболочки, прямые, а с противоположной стороны - выпуклые, так что в диаде клетки располагаются в виде двух полулуний, обращенных друг к другу прямой стороной. Веретена II мейотического деления ориентируются параллельно первой пе

Информация о работе

Круглова, Анна Евгеньевна
кандидата биологических наук
Уфа, 2012
ВАК 03.02.01

Диссертация

Эмбриология редкого эндемика Южного Урала Oxytropis baschkirensis Knjasev (Fabaceae Lindl.) в условиях интродукции - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы