Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Морфогенетические потенции семязачатка Zea mays L

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Воронова, Ольга Николаевна, Санкт-Петербург

3¡ 6 Z6 ~ %

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Ботанический институт им В.Л.Комарова

На правах рукописи

ВОРОНОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИИ СЕМЯЗАЧАТКА ZEA МА YS L. 03.00.05 - Ботаника

Диссертация на соискание ученой степени Кандидата биологических наук

Научный руководитель - профессор, доктор биологических наук, заслуженный деятель науки РФ, Батыгина Т.Б.

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ..-----------..-----------------------...—.—...........»------------------------ 4

Глава 1. Обзор литературы................................................. 9

1.1. Общая биологическая характеристика вида Zea mays L., его положение в системе покрытосеменных растений и происхождение.................................................................. 9

1.2. Развитие семязачатка и семени Zea mays L........................ 18

1.3. Экспериментальная эмбриология кукурузы....................... 38

Глава 2. Материал и методы исследования ......................... 49

Глава Организация структур завязи и семязачатка у мутантовpaml и macl и в корме (сорт «Белая ночь») ........... 53

3.1. Развитие и строение семязачатка у растений кукурузы сорта «Белая ночь» и мутантов ратI и macI ................______________________________________ 53

3.2. Обсуждение..................................................................................... 58

Глава 4. Мегаспорогенез и развитие зародышевого мешка —... 70

4.1. Заложение археспориальных клеток и формирование мегаспороцитов................................................................... 70

4.2. Мегаспорогенез и развитие зародышевого мешка у кукурузы сорта «Белая ночь»................................................................ 72

4.3. Мегаспорогенез и развитие зародышевого мешка у мутантов macl ................................................................................... 74

4.4. Мегаспорогенез и возможные пути формирования зародышевого мешка у мутантов рат 1 .................................... 77

4.5. Обсуждение.................................................................. 79

Глава 5. Динамика веществ в семязачатке кукурузы ............ 98

5.1. Динамика полисахаридов у мутантов macl, paml и растений сорта «Белая ночь» ............................................................................. 98

5.2. Динамика белков у мутантов тас1\ paml и растений сорта «Белая ночь»............................................................................................................ЮЗ

5.3, Обсуждение .............................................................................................105

Глзв^ ОБ С Д Е Н ЙЕ »»• *♦»»*» • V ♦ •»*»**»• *»♦ •»»• »■ ♦ • »♦ • * *»- »•» • • • • • 1

ВЫВОДЫ «..««.„. „„.п...-«««..128

Бдатодаркоети ........................................................... 131

»JXuLTrcp^^nrypiä »•• »»•«&• »«.»&«»*.* *.«о»»•»»*• •«. • • •»• • *•• **♦•*•* 132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем современной биологии является изучение семенной репродукции цветковых растений. Исследование вопросов, связанных с организацией семязачатка и семени^ и выяснение биологического значения множества дублирующих структур (археспориальных, спорогенных клеток, тетрад мегаспор, апоспорических и диплоспорических зародышевых мешков) является важным и актуальным аспектом репродуктивной биологии, особенно при решении практических задач - при создании генетико-селекционных программ и разработке биотехнологий. Известно, что многие клетки растения тотипотентны, но время и степень проявления этого свойства различны. Обычно в экстремальных условиях происходит реализация тотипотентности клетки. Растения, несущие те или иные мутации, представляет собой удобную экспериментальную модель для изучения морфогенетических потенций семязачатка и степени тотипотентности его клеток.

Кукуруза - один из наиболее изученных генетических объектов. Выделено и изучено огромное количество мутаций, затрагивающих структуру растения кукурузы в целом и его отдельных органов -листьев, стеблей, корней, соцветий. Кукуруза стала одним из первых растительных объектов, для которых составлены наиболее полные генетические карты хромосом. Детальный генетический анализ позволил установить характер наследования различных мутаций и выявить гены, детерминирующие развитие определенных признаков и свойств (Riman, 1963; Clark, Sheridan, 1986, 1988, 1991; Cordts et al., 1998; Dresselhaus et al., 1998; Heuer et al., 1998 и др.). Генетическая коллекция ВИР

включает более 700 наследственно измененных форм («Каталог ...», 1969-1978).

Генетическая коллекция мутантов кукурузы служит базисом при разработке основных проблем современной генетики и практической селекции.

На сегодняшний день имеются обширные данные по биологии, морфологии, эмбриологии и генетике кукурузы (Мирик, 1913; Weatherwax, 1916, 1917, 1919, 1926, 1955; Miller, 1919; Cooper, 1937; Лесик, 1940; Прилипко, 1946; Саламов, 1950; Мовсесян, 1954; Щелокова, 1954, 1958; Колесников, Васильева, 1955; Устинова, 1955, 1967; Паламарчук, 1958, 1960, 1962, 1963; Коробова, 1959, 1960, 1961, 1982; Данович, 1960; Чеботарь, 1960, 1961, 1963, 1965, 1970, 1972, 1987; Яшвили, 1962, 1963; Лайкова, 1963, 1968; Шмараев и др., 1972, 1990; Неврянская, 1974; Звержанская, 1975, 1978, 1983; Гусева, 1983; van Lammeren, 1983, 1986; Schel et al., 1984, 1994; 1995; Matthys-Rochon et al., 1994, 1998; Mim, Partas, 1994; Sundberg et al, 1997; Wedzony, 1997; Mol et al., 1997, 1998; и многие другие). Однако, появляющиеся новые мутантные растения с ценными признаками, требуют новых подходов и методов для проведения ряда комплексных морфогенетических исследований.

Анализ литературы по развитию семязачатка, мегаспорогенеза и развития зародышевого мешка выявил, что большинство авторов склоняются к тому, что в семязачатке кукурузы обычно закладывается одна археспориальная клетка, которая непосредственно становится мегаспороцитом и проходит через мейотическое деление без предшествующих митозов (Чеботарь, 1972; Коробова, 1982; van Lammeren, 1986; Huang & Sheridan, 1994 и др.).

В настоящее время получено множество мутаций, касающихся развития репродуктивных структур кукурузы, которая в последние время является популярным объектом не только генетических исследований. Морфологические и эмбриологические данные позволяют выявить и понять отдельные цитогенетические механизмы, обусловливающие развитие отдельных репродуктивных элементов.

Особого внимания заслуживает ряд мутаций - macl {multiple archesporial cells) и pam¡{plural abnormalities of meiosis), полученных у кукурузы. Рецессивная моногенная мутация macl, фенотипически проявляющаяся в недоразвитии пыльников, характеризуется отклонениями в заложении женских репродуктивных структур. Как было установлено авторами, ген, ответственный за эти нарушения, локализован в коротком плече 10-й хромосомы (Golubovskaya et al., 1993, 1995, Sheridan et al., 1996).

Рецессивная моногенная мутация paml характеризуется аномалиями в развитии мужских и женских генеративных структур - в мейоз вступает -е?о зо% многоядерных микро - и мегаспороцитов. Авторы высказали предположение, что ген paml блокирует цитокинез спорогенных клеток в клеточных циклах, предшествующих мейозу, однако, этот вопрос остается дискуссионным. Мегаспороциты демонстрируют разнообразные аномалии мейоза, который останавливается на стадии профазы (Голубовская, Машненков, 1977; Машненков, Голубовская, 1980; Голубовская и др., 1994).

Данные по эмбриологии мутантов paml и macl были крайне фрагментарны. В связи с этим мы провели подробное исследование ранних этапов развития репродуктивной сферы. Как основной метод исследования был использован системный комплексный подход (Батыгина, Васильева, 1983), с помощью которого анализировались

данные, полученные при помощи цитологического, эмбриологического и гистохимического методов.

Цель и задачи исследования. Основной целью исследования явилось выявление морфогенетических потенций семязачатка кукурузы {Zea mays L.), для чего, кроме растений сорта «Белая ночь», были привлечены мутанты рат! и mac 1. Исходя из этого были поставлены следующие задачи:

1) Изучить особенности заложения и развития структур завязи и семязачатка (включая процесс оплодотворения) и провести сравнительный цитоэмбриологический анализ полученных данных у растешщ мутантных по macl, по paml и у кукурузы сорта «Белая ночь».

2) Провести анализ динамики накопления запасных веществ в завязи и семязачатке в процессе мегаспорогенеза и развития зародышевого мешка.

3) Выявить сходство и различия в дифференциации репродуктивных структур у каждого из мутантов и в норме.

4) Провести сравнительно-эмбриологический анализ морфогенетических потенций семязачатка кукурузы в сопоставлении с таковыми у некоторых хорошо изученных видов, представителей различных семейств.

Научная новизна работы. Впервые подробно были исследованы мегаспорогенез и развитие зародышевого мешка у двух различных мутантов paml и macl, а также у растений сорта «Белая ночь». В ходе работы детально изучено заложение и развитие женских репродуктивных структур кукурузы. Впервые рассматриваются возможные пути развития зародышевых мешков и формирование зародыша у paml и macl, а также прослеживается путь дегенерации дополнительных зародышевых мешков. Впервые детально прослежен

генезис таких структур семязачатка кукурузы, как гипостаза, подиум, постамент. Проведено исследование динамики накопления запасных веществ: белков и полисахаридов у мутантов рат! и macl и растений сорта «Белая ночь».

Теоретическая и практическая ценность работы. Полученные результаты расширяют наши представления о путях развития археспориальных клеток, мегаспороцитов, о протекании процессов мегаспорогенеза, развития зародышевого мешка и процесса оплодотворения у кукурузы, что крайне необходимо для понимания различных аспектов репродуктивной биологии этого вида.

Экспериментальные данные, полученные при изучении macl мутанта выявили большие потенциальные резервы семязачатка Zea mays. Известно, что для крассинуцеллятных семязачатков представителей ряда примитивных таксонов (Fagaceae, Casuarinaceae, Lauraceae, Rosaceae и др.) характерно формирование множества дублирующих спорогенных структур. Это позволяет говорить о возможной реверсии ряда специфических анцестральных черт в строении семязачатка.

Данные, полученные в ходе исследования, вносят определенный вклад в разработку таких проблем эмбриологии, как изучение репродуктивной стратегии вида с позиций надежности биологических систем.

Результаты работы могут быть использованы исследователями, изучающими различные проблемы эмбриологии, репродуктивной биологии, генетики и селекции.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общая биологическая характеристика рода Zea L., его положение в системе покрытосеменных растений и происхождение

Ботаническое описание кукурузы и ее место в системе цветковых растений

Кукуруза - однодомное, однолетнее, перекрестноопыляемое растение, обычно одностебельное высокорослое, но имеются и кустящиеся формы. Стебель прямой, цилиндрический, заполнен рыхлой паренхимной тканью. Количество стеблевых узлов и листьев сильно варьирует и зависит от генетической природы сорта. Листья широкие, лентовидной формы, очередные; листовое влагалище открытое, с язычком. Колоски однополые; мужские и женские собраны в разных соцветиях. Мужское соцветие - верхушечная развесистая метелка, ветви которой состоят из множества парных колосков, расположенных вдоль ветвей метелки. Один из пары колосков на ножке, другой - сидячий. Женское соцветие - початок, формируется в пазухах листьев. На оси (стержне) початка вертикальными рядами расположены колоски с женскими цветками. Колоски двухцветковые, однако, из них развивается лишь один верхний. Завязь верхняя, сидячая, одногнездная, с одной семяпочкой. Столбик очень длинный, нитевидный, на верхушке с двулопастным рыльцем (Кожухов, 1929; Голодковский, 1966; Шмараев, Ярчук, 1972). Плод, по наиболее распространенным представлениям, -зерновка разной консистенции (от мучнистой до стекловидной), разной величины, формы и окраски (Вожда и др., 1965; Шмараев, Ярчук, 1972; Петрова и др., 1985.). Есть и другая точка зрения - так, например, Александров В.Г., Александрова О.Г. и Яковлев М.С., подробно изучив

историю развития и общую морфологию плода, пришли к выводу, что «плоду маиса односемянному, сухому, нераскрывающемуся, развившемуся из верхней завязи, имеющему или твердый склерезированный, или мягкий кожистый перикарпий, более всего подходит наименование орешка» (Александров и др., 1944).

Кукуруза Zea mays L. (синонимы Zea americana Metzger; Zea alba, Zea Vulgaris Mill; Mays zea Gaertn.; Zea segetalis Salisb.; Mays americana Baumg.; May's vulgaris Ser.; Mayzea cerealis Raf.; Thalysia mays O.Kuntze) относится к классу Monocotyledonae, порядку Poales (Nakai, 1930), семейству Роасеае, Barnhart, 1895 (Gramineae, A.L.de Jussieu, 1789).

Род Zea, по мнению большинства ботаников, имеет только один вид

- Zea mays L. Первое ботаническое описание кукурузы как вида сделал Линней в 1753г. и дал ему это название (Кулешов, 1955; Малышева, 1968; Шмараев, 1971).

Однако имеются попытки расчленить этот род на несколько видов и включить в его состав род Euchlaena. Так, однолетний вид теосинте Euchlaena mexicana Schrad. предлагают называть Zea mexicana, многолетний тетраплоидный теосинте E.perennis Hitch. - Zea perennis, a многолетний диплоидный - Zea diploperennis и так далее (Кожухов, 1939; Шмараев, 1979; Шмараев, Подольская, 1990; Francis, 1990) .

Долгое время род Zea L. (Sp.Pl. ed I, 1753:974) и еще 7 родов {Euchlaena - 2 вида, Tripsacum - 9 видов, Polytoca - 6 видов, Chionachne

- 4 вида, Sclerachne - 1 вид, Trilobachne - 1 вид, Coix - 5 видов) относили к трибе Maydeae (Mathieu Fl.Belg., 1. 1853:638). Триба маисовых выделялась заполненностью стебля у всех ее представителей и наличием однополых мужских и женских цветков, в противоположность обоеполым цветкам других представителей семейства. Мужские и женские цветки могут быть сгруппированы в отдельные соцветия или

находиться в разных частях одного соцветия (Кулешов, 1955). Позднее стало известно, что однодомность встречается и у других злаков, таким образом кукуруза, как и ее ближайшие родственники, были включены в трибу Andropogeneae fy/ea¿/)&°watx, 195Д$, хотя некоторые авторы все еще рассматривают их как обособленную группу, придавая ей статус подтрибы - Tripsacinae (Francis, 1990).

Н.Н.Цвелев (1987) в своей системе злаки (Роасеае) делит на подсемейства бамбукообразных (Bambusoideae) и настоящих злаков (.Pooideae), включая в состав последних трибу бородавочниковых (Andropogoneae), куда относит и кукурузу, отмечая при этом, что общие соцветия Coix, Euchlaena и Zea особенно оригинальны среди представителей этой трибы, но по строению тычиночных колосков это типичный представитель трибы Andropogoneae. С этой точкой зрения соглашается и А.Л.Тахтаджян (Тахтаджян, 1987; Takhtajan, 1997).

Первые данные по внутривидовой группировке относятся к началу XIX века. M.Bonafous (1836) предложил классификацию кукурузы, где подразделил ее на 5 видов и 24 разновидности, которые были объединены в 3 секции (12 желто-, 10 бело- и 2 краснозерные). I.Metzger (1841) подразделил все разнообразие на две большие группы: американскую и европейскую, а их разбил на 12 разновидностей. В 1866г Fr.Alefeld, основываясь на предшествующих классификациях, поделил вид Zea mays на 6 основных групп и в каждой выделил несколько разновидностей.

В 1873г появилась классификация F.Kornicke, который положил в основу деления сортов на разновидности такие устойчивые признаки, как различия в окраске зерна и цветковых чешуй в женском колосе. Более совершенную классификацию кукурузы предложил E.Sturtevant (1899). В ней в качестве основных признаков автор использовал консистенцию

зерна и степень развития колосковых чешуй в женском колоске и разделил все сорта на 7 групп, которые, по его мнению, соответствуют отдельным видам: Zea tunicata St.Hill. - пленчатая; Zea everata Sturt. -лопающаяся; Zea indurata Sturt. - кремнистая; Zea indentaía Sturt. -зубовидная; Zea amylacea Sturt. - крахмалистая; Zea saccharata Sturt. -сахарная; Zea amyleasaccharata Sturt. - крахмалисто-сахарная. Каждая группа по форме зерна разделялась на 3 подгруппы.

В 1909г впервые была описана восковидная кукуруза. Н.Н.Кулешов (1928) выделил ее в особую группу Zea mays ceratina Kulesh.

Последующие работы систематиков не внесли серьезных изменений. Спор был лишь о том, к каким систематическим категориям отнести определенные таксоны (виды, разновидности и т.д.?).

Г.Е.Шмараев и Т.А.Ярчук (1972) предложили назвать эти группы подвидами, сохранить их названия, но исключить переходную группу -крахмалисто-сахарную. Каждый подвид подразделили на разновидности (от 5 до 25), а в каждую разновидность включили несколько сортотипов, объединяющих определенный сортовой состав.

В настоящее время большинство работ по классификации кукурузы основано на новейших методах с использованием молекулярно-генетических подходов, кладистического анализа и QTL картирования (Iltis, 1986; Sanchez, Goodman, 1992; Sanchez et al., 1993; Bachman, 1995; Doebley, 1995 et al.). Например, Iltis и Doebly (Iltis, Doebly,1984; Doebley, 1995 et al) на основании биосистематического подхода с использованием данных по распределению нативных популяций, частоты скрещиваемости между отдельными расами и линейного кластерного анализа предлагают объединить виды Zea и Euchlaena в общий род Zea. В нем они выделяют две секции: 1)секция Zea, с видом Zea mays и тремя подвидами - ssp. mays, ssp. mexicana и ssp. parviglumes (varparviglumes и

vdLX.huehuetenangensis); и 2) секция Luxuriantes с видами Z.luxiriane, Z.perennis, Z. diploperennis.

Происхождение кукурузы

Происхождение кукурузы обсуждается уже долгое время и среди различных теорий наиболее древним и наиболее распространенным является постулат о том, что кукуруза появилась из теосинте, то есть кукуруза - это одомашненное и окультуренное теосинте. С середины XX века появились данные, что теосинте является растением более позднего происхождения, чем куку