Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности формирования пыльцы и характер кариотипической изменчивости у некоторых автономных апомиктов Asteraceae

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Особенности формирования пыльцы и характер кариотипической изменчивости у некоторых автономных апомиктов Asteraceae"

005010794

На правах рукописи

ДЕМОЧКО Юлия Александровна

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЫЛЬЦЫ И ХАРАКТЕР КАРИОТИПИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У НЕКОТОРЫХ АВТОНОМНЫХ АПОМИКТОВ АЗТЕЯАСЕАЕ

03.02.01 - ботаника

Автореферат диссертации на на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Саратов-2011

005010794

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» в Учебно-научном центре

«Ботанический сад»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор,

Кашин Александр Степанович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, старший

научный сотрудник Сибикеев Сергей Николаевич

кандидат биологических наук, доцент Луферов Александр Николаевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Защита состоится «_26_» января 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 002.028.01 в Учреждении Российской академии наук Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН в конференц-зале лабораторного корпуса.

Тел (495) 977 80 00; факс (495) 977 91 72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН.

Автореферат разослан 2011 года

Ученый секретарь Диссертационного совета, д.б.н.

(Ш^з

Ю.К. Виноградова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема гаметофитного апомиксиса у покрытосеменных по-прежнему приковывает к себе пристальное внимание. Более того, в последнее время интерес к ней значительно возрос. Но даже использование самых современных методов исследования пока не вносит ясности в решение большинства вопросов, связанных с этой проблемой. Гипотетичными остаются, например, представления о характере генетического контроля апомиксиса, хотя определенный прогресс в этом направлешш очевиден (Koltunow, Grossnikiaus, 2003; Bicknell, Koltunow, 2004; Kantama et al., 2007).

Известно, что на протяжении онтогенеза у большинства изученных видов растений происходит полиплоидизация соматических клеток в органах и тканях в процессе их дифференциации путём политении, эндомитоза и анеуплоидии. Но в клетках апикальных меристем видовое число хромосом сохраняется неизменным, что и обеспечивает генетическую стабильность вида (Кунах, 2005; Гриф 2007). Исключение преимущественно составляют гибридные и полиплоидные растения, у которых кариотипическая изменчивость, как правило, затрагивает не только дифференцирующиеся соматические клетки, но и клетки апикальных меристем (Кунах, 2005). При этом спонтанная гибридизация и полиплоидия - явления, значительно распространенные среди высших растений (Otto, Whitton, 2000). Более того, признано, что эволюция цветковых осуществляется в значительной степени именно с участием этих механизмов (Цвелёв, 2000; Гриф, 2007; Grant, 1981; Masterson, 1994; Soltis, Soltis, 1999; Bennett, 2004;). При этом, с одной стороны, и амфи-, и автополиплоидия растений в природе осуществляется преимущественно с участием либо гаметофитного апомиксиса, либо апомейоза, как элемента апомиксиса, ведущего к формированию нередуцированных гамет (Кашин, 2006; Bretagnolle, Tompson, 1995; Roche et al., 2001), а с другой, - фактически все апомикты являются полиплоидами, причём преимущественно аллополишюидами (Grant, 1981). Как следствие, у них широко распространен кариотинический полиморфизм.

Однако, несмотря на то, что кариотипическая нестабильность апомиктов давно известна, масштабы её, особенно у автономных апомиктов, остаются недостаточно изученными. Для автономных апомиктов ранее не проводилось специальных исследований по выявлению характера кариотипической нестабильности в апикальных меристемах. Остаётся неясным и то, насколько стабильным по уровню плоидности у автономных апомиктов является микрогаметофит. Очевидно, что исследования подобного рода могут быть в дальнейшем базой для молекулярно-генетического изучения природы гаметофитного апомиксиса.

Цель исследования. Выявление особенностей формирования пыльцы и характера кариотипической изменчивости у ряда автономных факультативных апомиктов Asteraceae. Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Выявить половую структуру цветков в популяциях Pilosella officinarum F. Schultz et Sch. Bip.;

2. Проследить особенности формирования клеток тапетума в пыльниках Р. аЦ1стагит\

3. Изучить особенности микроспорогенеза автономного апомикта Р. о/Астагит;

4. Выявить характер изменчивости уровня плоидности растений популяций некоторых автономных апомиктов А$1егасеае;

5. Исследовать особенности проявления анеуплоидии в клетках апикальных меристем растений автономных апомиктов ¿ЛЛегасеае;

6. Установить частоту миксоштоидии в апикальных меристемах растений автономных апомиктов Аз1егасеае.

Научная новизна. Впервые на примере растений вида Р. о^рстагит показано, что микрогаметофит автономных апомиктов может быть стабильным по уровню плоидности, оставаясь равным 1х независимо от уровня плоидности растений. Установлено, что у исследованных автономных апомиктов А$1егасеае даже в потомстве одного материнского растения с высокой частотой встречаются особи разных уровней плоидности. Впервые выявлена геномная нестабильность в клетках апикальных меристем данных видов, выражающаяся в анеу- и миксоплоидии. При этом обнаружено, что частота анеу- и миксоплоидов в апикальных меристемах изученных апомиктов столь высока, что есть все основания говорить о ней как о характерной, свойственной автономным апомиктам особенности генезиса клеток их апикальных меристем.

Научно-практическая значимость работы. Полученные данные могут быть использованы для сравнительного анализа при изучении других апомик-тичных видов. Изложенные в диссертационной работе сведения будут полезны при разработке спецкурсов по цитогенетике, репродуктивной биологии, эмбриологии растений. Результаты исследования характера кариотипической изменчивости в клетках апикальных меристем апомиктов могут быть в дальнейшем базой для молекулярно-генетического изучения природы гаметофитного апомиксиса и особенностей регуляции клеточного цикла в апикальных меристемах апомиктов.

Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ№ 00-04-49376, 05-04-49001, 08-04-00319.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на науч. генетической конф., посвящ. 100-летию со дня рождения А.Р. Жебрака (Москва, 2002); Междунар. конф. «Интродукция растений. Охрана и обогащение биологического разнообразия» (Воронеж, 2002); II науч. конф. МОГИС, посвящ. 115-летию со дня рождения Н.И. Вавилова, (Москва, 2003); Междунар. совещ. по филогении растений (Москва, 2003); Ш съезде ВОГиС (Москва, 2004); Междунар. конф. «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006); IV Междунар. науч. конф. «Факторы экспериментальной эволюции организмов» (Алушта, Украина, 2008); V Междунар. науч. конф. «Геном растений» (Одесса, Украина, 2008); Междунар. конф. «Генетика и биотехнология XXI века: Фундаментальные и прикладные аспекты» (Минск, Белоруссия, 2008); III Междунар. школе молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Саратов, 2009); ХП Московском совещ. по филогении растений, посвящ. 2504

летаю со дня рождения Георга-Франца Гофмана (Москва, 2010); Всеросс. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения С.С. Хохлова (Саратов, 2010); Междунар. конф. «Биология развития: морфогенез репродуктивных структур и роль стволовых клеток в онтогенезе и эволюции» (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, пять из которых - в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Декларация личного участия автора. Автор лично в 2002 - 2007 гт. провёл экспедиционные исследования по сбору материала. Цитологический и цитогенетический анализы материала полностью осуществлены автором. Анализ полученных результатов проведён автором самостоятельно по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в подготовке и написании совместных публикаций составляет 30 - 50 %.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем работы 161 страница, содержит 25 таблиц, 8 рисунков. Список литературы включает 386 источников, в том числе 247 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ПОСЛЕДСТВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАМЕТОФИТНОГО АПОМИКСИСА У ЦВЕТКОВЫХ (обзор литературы)

В главе дается обзор литературы по проблемам взаимообусловленности апомиксиса, полиплоидии и гибридогенеза, а также генетических последствий реализации апомиксиса у цветковых (Хохлов, 1978; Петров, 1988; Stebbins, Jenkins, 1939; Gustaffson, 1946-1947; Harlan, Wet de, 1963; Grant, 1981; Nogler, 1984; Asker, Jerling, 1992; Widen et al., 1994; Richards, 1996; Carman, 1997; Overath, Asmussen, 1998; Diggle et al., 1998; Wittzell, 1999; Otto, Whitton, 2000; Larson et al., 2001; Husband, 2004; Houliston, Chapman, 2004). Проведен обзор литературных данных об особенностях процессов микроспорогенеза у апомиктичных видов (Gustafsson, 1947; Rutishauser, 1967; Davis, 1968; Richards, 1970; Birari, 1980; Quarí, 1996 и др.) и степени изученности явлений миксоплоидии и анеуплоидии у растений (Чугункова, Шевцов, 1992; Юданова, 2004; Кунах, 2005; Цветова и др., 2008; Thomas, 1940; Gustafsson, 1946-1947).

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились в 2002 - 2007 гг. в одних и тех же природных популяциях, приуроченных к Саратовскому, Базарно-Карабулакскому и Краснокутскому районам Саратовской области.

Объектами исследования были растения популяций Pilosella officinarum F.Schultz et Sch. Bip. (22a и 33a), P. praealta (V. ex G.) F. Schultz et Sch. Bip. (22г), межвидового гибрида P. x officinarum-vaillantii (22к), Taraxacum officinale Wigg. (92 и 48a), Chondrilla juncea L. (67 и 94) и Hieracium umbellatum L. (93 и 93 a). Условные номера популяций указаны по полевому журналу. Исследования по кариотипической изменчивости проводились для всех указанных попу-

5

ляций, микроспорогенез изучали на примере растений популяции P. officinarum. В среднем в каждой популяции изучено по 30 растений или их потомков.

Растения в популяциях маркировали, что позволяло их анализировать на протяжении ряда лет. Кариотипическую изменчивость вегетирующих растений в популяциях и их потомстве выявляли путём подсчёта числа хромосом в клетках корневых меристем или меристем надземных побегов на давленых препаратах. Для анализа использовали корневые меристемы начинающих укореняться горизонтальных надземных или подземных столонов либо меристемы надземных побегов в начале ранневесеннего отрастания. Анализ числа хромосом у потомков тех же растений осуществляли в корневых меристемах проростков, которые были получены из семян, завязавшихся при различных режимах цветения (свободное цветение, цветение в условиях изоляции некастрированных цветков, цветение в условиях беспыльцевого режима). Семена проращивали в чашках Петри в термостате при 25°С в течение 3-5 сут до достижения длины первичного корня 0,5 см. При использовании корневых апикальных меристем числа хромосом подсчитывали в клетках кончика корня в зоне деления. Для подсчета числа хромосом апикальных меристем надземных побегов анализировали клетки апекса и инициалей листовых примордиев. Предобработку, фиксацию и окраску материала проводили по общепринятой методике (Абрамова, 1988). В каждой меристеме производили подсчет числа хромосом на стадии метафазы не менее чем в 3-7 делящихся клетках.

Соцветия для исследования микроспорогенеза брались на соответствующей стадии развития, бутоны фиксировались и окрашивались по общепринятой методике (Паушева, 1980).

В работе обсуждаются результаты исследований, достоверные при

р <0.05.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ МИКРОСПОРОГЕНЕЗА У АВТОНОМНОГО АПОМИКТА Pilosella officinarum

В обоих исследованных популяциях P. officinarum (22а и 33а) в разные годы встречались растения 2-х типов: 1) с гермафродитными цветками, несущими пестик и 5 пыльников; 2) с женскими цветками, содержащими вместо пыльников 5 стаминодиев. Доля растений с женскими цветками, содержащими стаминодии, в разные годы варьировала в интервале от 41.2 до 100% (табл. 1). Лишь у единичных растений в стаминодиях присутствовали участки генеративной ткани, содержащие микроспороциты на разных стадиях мейоза, либо пыльцевые зерна, значительно варьирующие по форме и размеру. При этом вследствие аномального развития стаминодии не могли продуцировать фертильные зрелые пыльцевые зёрна.

Известно, что в процессах микроспоро- и микрогаметофитогенеза особую роль играет тапетальная ткань, которая прилегает непосредственно к спорогенной ткани, а затем к формирующейся пыльце, обеспечивая поступление метаболитов к ним. В исследованном материале в пыльниках уже

на стадии ранней профазы I в клетках тапетума содержалось как минимум 2 ядра. Мейоцитам, находящимся на более поздних этапах профазы I (пахинемы,

Таблица 1

Частота растений РМохеНа о/Аапатт с видоизменёнными соцветиями

Число растений, шт Количество растений с аномальными соцветиями, %

Популяция Год всего с женскими соцветиями с женскими и гермафродитными соцветиями

22а 2002 9 3 2 55.55

2003 16 16 0 100

2004 17 4 3 41.17

33а 2002 17 6 б 75.58

2003 13 7 2 69.23

2004 15 3 5 53.33

диплонемы и диакинеза), соответствовали клетки тапетума, различавшиеся формой и расположением 4 ядер, либо эти клетки содержали по два удлинённых ядра, которые, по-видимому, возникали путём слияния пар ядер. По мере прохождения мейоза конфигурация клеток тапетума фактически не менялась. Выявленные особенности клеток данной ткани у растений Р. о$\стапт, в основном, совпадают с характеристикой тапетальных клеток, описанной у различных представителей А5(егасеае (Сравнительная..., 1987). Данные позволяют говорить, скорее, о значительном варьировании размеров клеток тапетума при прохождении мейоцитами стадий микроспорогенеза (от 41.0 до 106.8 мкм - на стадии профазы I и от 49.2 до 82.0 мкм - на стадии тетрад микроспор), чем о каком-либо однонаправленном изменении размеров клеток.

У растений с гермафродитными цветками наблюдали значительные нарушения процессов микроспорогенеза (табл. 2). В диакинезе от 14.5 до 54.0% клеток, наряду с бивалентами, содержали неспаренные хромосомы, что, по-видимому, явилось следствием нарушения конъюгации. Как в первом, так и во втором делениях мейоза, в метафазе часть хромосом не включалась в метафазную пластинку, а в ана-телофазе наблюдались многочисленные нарушения расхождения хромосом (в некоторых цветках до 100% мейоцитов содержали аномалии). В результате продукты деления (диады или микроспоры) содержали аномальное число ядер и/или микроядра. В некоторых цветках при эквационном делении часть материнских клеток микроспор содержала отдельные хроматиновые структуры, вытянутые от метафазной пластинки к полюсу веретена деления. Наряду с аномалиями в расхождении хромосом, во многих мейоцитах во втором делении мейоза наблюдались аномалии в ориентации веретена деления. При этом в некоторых цветках до 10.0% мейоцитов содержали параллельно расположенные веретёна деления. Как следствие, имело место образование тетрад, не свойственной для представителей Ая1егасеае, конфигурации. В некоторых мейоцитах в конце II деления мейоза был нарушен цитокинез, в результате чего образовывались многоядерные монады или другие аномальные продукты микроспорогенеза. Сформированные

микроспоры зачастую имели аномальную структуру экзины или вообще не формировали двойную оболочку. Из них в последующем формировались стерильные пыльцевые зёрна разных размеров и с разным числом пор, хотя в

Таблица 2

Характер и частота нарушений микроспорогенеза у РНояеНа о^рстагит

Стадия Количество мейоцитов Характер нарушений

всего, шт с нарушениями*, %

Диакинез 354 14.6 - 54.0 материнские клетки пыльцы содержат биваленты и униваленты

Мета-фаза I 429 10.0-36.0 бивалент или унивалент за пределам экваториально" пластинки или веретена

Ана-те-иофаза I 830 7.2-98.2 этставание 1 или нескольких хромосом; разброс хромосом п зеретену; неразделившийся бивалент; хромосома на полюсе В1 ядра.

Диады 415 37.5 - 96.7 микроядра; несинхронное расхождение; расположение верега деления в одной плоскости; монада

Мета-фаза II 331 0.0 -100 микроядра, хромосома(ы) вне экваториальной пластинки ил веретена деления; тяжи хроматина, направленные от экваториальной пластинки к полюсам

Ана-тело-фаза II 647 39.4-100 микроядра; отставание одной или нескольких хромосом; разброс хромосом по веретену; опережение; хроматиновы тяжи перед расходящимися группами хромосом;

Тетрады 413 17.2 -100 микроядра; тетрады в одной плоскости; триады, пентады; структуры, образовавшиеся в результате отсутствия цитокинез

Микро -споры 7043 8.0-90.8 микроядра; 2 или больше ядер, крупные микроспоры' структуры, образовавшиеся в результате отсутствия цитокинеза

Примечание: - размах изменчивости между индивидуальными цветками всех

изученных растений

некоторых случаях формировались морфологически нормальные, однородные микроспоры и пыльцевые зёрна. Характер нарушений мейоза почти полностью совпадал у изученных растений, но частота нарушений значительно варьировала как между растениями, так и в разных цветках одного растения (табл. 2). Кроме нарушений, указанных в таблице, в ана-телофазе I и II отмечены мосты, фрагментация хромосом и некоторые другие аномалии, но частота их была на уровне 0.1 -4.0%, что не превышает естественного мутационного фона. У всех изученных растений часть клеток на разных стадиях микроспорогенеза дегенерировала, что вело к формированию стерильных пыльцевых зёрен (до 50-60%).

Нарушения при расхождении хромосом в ходе процессов формирования пыльцевых зёрен, выявленные нами у Р. о^1апагит, во многом совпадают с нарушениями, описанными для гибридов с аномалиями веретена деления (Шами-на и др., 1994, 2000). Однако и нарушения конъюгации в профазе I также обычно приводят к аномальному поведению хромосом в мейозе. При этом аномалии веретена деления возникают как вторичный эффект отсутствия спаривания хромосом (1)а\уе, 1998). Многочисленные нарушения цитокинеза, очевидно, также объясняются аномальным поведением веретена деления (Дорогова, Шамина, 1994).

Таким образом, процессы, ведущие к образованию стерильных пыльцевых зёрен у P. officinarum связаны, в основном, с нарушениями формирования веретена деления в материнских клетках микроспор, скорее всего, как вторичного эффекта нарушения конъюгации в профазе I. Большой процент стерильной пыльцы при нормально формирующемся тапетупе указывает на то, что причинами стерильности являются именно отклонения в нормальном течешш мейоза и гаметофитогенеза, вызванные несбалансированностью генома, а не нарушениями питающей функции клеток тапетума.

В исследуемом материале лишь в единичных случаях встречались явления, которые могли бы привести к существенному варьированию уровня пло-идности среди изредка формирующихся фертильных пыльцевых зёрен. Число монад, имеющих реституционное ядро, после первого деления мейоза составляло менее одного процента от числа возникших диад. Многочисленные отставания хромосом в ана-телофазе первого и второго делений могли вести лишь к анеуплоидии по одной или нескольким хромосомам и, как следствие, к формированию нежизнеспособных пыльцевых зёрен. В случаях, когда в ядрах микроспор было возможно подсчитать число хромоцентров, оно соответствовало гаплоидному числу хромосом. В цветках, в которых формировалась морфологически нормальная и, по-видимому, фертильная пыльца, пыльцевые зёрна имели очень сходные размеры, что также свидетельствовало об отсутствии варьирования уровня плоидности среди них.

Стабильное формирование именно гаплоидных пыльцевых зёрен у апомиктов обычно рассматривается в связи с проблемой соотношения родительских геномов в эндосперме при псевдогамии (Соколов, 2006; Brown, Emery, 1958; Grimanelli et al., 2001). Однако это явление интересно и с точки зрения плоидности зародышей, формирующихся у автономных апомиктов.

В настоящее время исследователи пришли к пониманию, что облигатно апомиктическое размножение в природе не существует или же встречается редко, и популяции апомикгичных видов содержат растения, возникшие в рамках апо-амфимиктичных систем воспроизводства, включающих в себя различные комбинации эуспории, апомейоза, партеногенеза и зиготии. Участие или неучастие гаплоидных пыльцевых зёрен в оплодотворении редуцированных гаи нередуцированных зародышевых мешков у Р. officinarum должно приводить к возникновению зародышей с уровнем плоидности, равным материнскому, а также на 1х выше или ниже такового.

Интересно существенное отличие в генезисе пыльцевых зёрен исследованного вида, для которого характерен автономный апомиксис, от видов, которым свойственна псевдогамия. Так, при исследовании факультативно апомиктичных видов рода Роа (у которых формируются как редуцированные, так и нередуцированные зародышевые мешки) выявлено закономерное образование пыльцы с двумя уровнями плоидности, а в дальнейшем осуществление различных вариантов оплодотворения, приводящих к формированию нормального соотношения геномов в эндосперме (2 материнских : 1 отцовский) (Шишкинская и др., 2004; Юдакова, 2008). Вид с автономной формой апомиксиса в этом смысле «не нуждается» в генетически разнородной пыльце.

9

Отсутствие в пыльниках растений Р. о/рстагит пыльцевых зёрен пло-идностью выше гаплоидного уровня указывает на то, что реализация мейоза и формирование пыльцы происходит только в случае формирования диплоидной спорогенной ткани. В случае полиплоидии, вероятно, вместо пыльников формируются стаминодии с абсолютным или почти полным отсутствием спорогенной ткани. Как выше указано, цветки единичных растений, в стаминодиях которых отмечены участки генеративной ткани, содержали пыльцевые зерна, значительно варьирующие по форме и размеру, что обычно указывает на их разную плоидность. Это является дополнительным свидетельством в пользу того, что растения с цветками, несущие вместо пыльников стаминодии, полиплоидны.

Таким образом, в исследованных популяциях Р. о$Ыпагит, в отношении кариотипической изменчивости микрогаметофит является относительно стабильным элементом. Он несёт гаплоидный набор хромосом и формируется только у растений с диплоидной спорогенной тканью в результате мейоза. Большое число аномалий микроспорогенеза и микрогаметофитогенеза указывает на то, что даже такие растения имеют несбалансированный геном и высокий процент анеуплоидов. Нормальное течение мейоза у них затруднено. При оплодотворении подобной пыльцой уровень плоидности у потомков по отношению к родительским растениям мог увеличиваться лишь на 1х.

Глава 4. КАРИОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ В ПОПУЛЯЦИЯХ НЕКОТОРЫХ АВТОНОМНЫХ АПОМИКТОВ АВТЕЯАСЕАЕ

При подсчете числа хромосом в апикальных меристемах одних и тех же растений популяций Р. о}рстагит было выявлено значительное варьирование уровня плоидности (2х-7х) не только на внутрипопуляционном уровне, но и в потомстве индивидуальных растений, полученном при разных режимах цветения (свободном опылении, при цветении в условиях беспыльцевого режима и при цветении в условиях изоляции некастрированных цветков) (рис. 1). У ве-гетирующих (материнских) растений популяции Р. о$}стагит (22а) отмечена кариотипическая изменчивость в диапазоне Зх - 5х. При этом во все годы наблюдений в популяции доминировали тетраплоидные растения. Их доля в популяции составляла около 50 - 60%. Доля триплоидных и пентаплоидных растений по годам сильно варьировала. Потомство этих растений, выращенное из семян, завязавшихся при различных режимах цветения, варьировало по уровням плоидности в более широком диапазоне, чем сами материнские растения (2х - 7х). При этом в большинстве случаев варьирование плоидности среди потомков отличалось от варьирования плоидности среди материнских растений как по диапазону уровней плоидности, так и по доле растений того или иного уровня плоидности. До 50 - 70% потомства имело уровень плоидности ниже или выше уровня плоидности материнских растений (табл. 3). Существенной была доля растений, потомство которых было представлено растениями нескольких уровней плоидности (табл. 3, 4).

Во многом сходная картина кариотипической изменчивости у растений, вегетирующих в популяциях, и в их семенном потомстве обнаружена и у расте-

ю

Рис. 1. Частота поли- и миксоплоидов среди вегетирующих растений и их семенного потомства при различных режимах цветения в популяции РйозеНа о/Аапагит (22а): мат -вегетирующие (материнские) в популяции растения; сц - семенное потомство, полученное при свободном цветении; из - семенное потомство, полученное при цветении в условиях изоляции некастрированных цветков; кас - семенное потомство, полученное при беспыльцевом режиме цветения, микс - миксоплоиды. По оси обсцисс - годы исследования и режимы цветения, по оси ординат - доля растений указанного уровня плоидности, %.

Таблица 3

Соотношение растений разных уровней плоидности среди особей,

Год наблюдения Режим цветения Расгенияс пэтомками нескольких уровней шюид.ности,% В семенном потомстве доля растений плоидности. %

по отношению к родительской

равной ниже выше

2002 свободный 30.0 0 57.1 42.9

самоопыление 47 1 71.4 71.4 28.6

беспыльцевой 50.0 41.1 44.4 22.2

2003 свободный 9.5 29.5 24.3 52.3

самоопыление 23.8 39.1 29.5 47.6

беспыльцевой 19.0 35.4 34.3 34.8

2004 свободный 13 1 37.3 48 7 28.7

самоопыление 25.0 25.0 52.S 37.5

ний популяций апоспоровых апомиктов P. officinarum (33а), P. praealta (22г) и гибридного микровида P. х officinarum-vaillanlii (22к), а также диплоспоровых апомиктов, таких как Taraxacum officinale (92, 48а), Chondrilla juncea (64, 97) и Hieracium umbellatum (93, 93a) (табл. 5). Несмотря на то, что в целом диплоспо-

п

Таблица 4

Уровень плоидности некоторых вегетирующих в популяции риозеНа о^Ыпагит (22а) растений и их индивидуального потомства при цветении в условиях изоляции

№ Уровень Проанализировано потомков при цветении изолированных

расте- плоидности некастрированных цветков

ния материнского в т.ч. растений плоидности %

растения всего, шт. 4х 5х миксоплоиды

1 4х 1 0 1 0

3 4х-5х 3 0 2 1

6 5х 2 0 2 0

7 Зх-4х 4 2 0 2

8 Зх 2 0 2 0

13 4х-5х 5 0 3 2

14 4х-5х 4 0 4 0

15 4х 6 0 5 1

17 4х-5х 4 4 0 0

ровые апомикты демонстрировали более узкий спектр изменчивости уровней плоидности, соотношение семенных потомков разных уровней плоидности у них также существенно варьирует.

Для вегетирующих растений популяций автономно апомиктичных видов Asteraceae, причем как апоспоровых (различные виды Piloselld), так и дипло-споровых (виды Taraxacum, Hieracium и Chondrilla), и их потомства (табл. 4) в значительной мере свойственна анеуплоидия (табл. 5). Доля растений с анеуплоидными клетками в апикальных меристемах может достигать 50%.

Число хромосом при этом даже в клетках одной апикальной меристемы, как родительских растений, так и у их потомков при различных режимах цветения может существенно варьировать (до 3-5 вариантов анеуплоидии у одного растения) (табл. 6, 7). Частота обнаружения растений с анеуплоидными клетками в апикальных меристемах в популяциях достигала 30 - 60%.

Растениям, вегетирующим в популяциях рада видов автономных апомиктов Asteraceae, как апоспоровых (Pilosella), так и диплоспоровых (Taraxacum, Hieracium и Chondrilla), и их потомству в значительной мере свойственна ещё и миксоплоидия (табл. 5). При этом в пределах одного апекса обнаружены клетки до 3 разных уровнен плоидности, зачастую ещё и с числом хромосом, некратным основному числу (Рис. 2; табл. 6, 7).

Частота встречаемости миксоплоидных растений достигала 30 - 60%. В апикальных меристемах семенного потомства могли быть сочетания клеток с уровнями плоидности как ниже уровня плоидности клеток апикальных меристем материнского растения, так и выше такового. У материнских растений со стабильным уровнем плоидности клеток потомство могло быть миксоплоидным и, напротив, у материнского растения с миксоплоидией в апикальных меристемах потомства мог наблюдаться стабильный уровень плоидности клеток (табл.8). В исследуемых популяциях, в т.ч. и у Р. officinarums зачастую уровень плоидности потомков по отношению к вегетирующим в популяциях растениям возрастал более чем на 1х.

Ts 7 * % es ®

v «MS. ■ ¥ «V » | Ш W . 0 <3 э Л Э Ф (J e ißm^i »■ & 4* - # WS.

i я £ JWr , } л 1 * . - Ii . - ö а <r «r Ъ mk- ♦ ^ * ц w

50 мкм

Рис.2. Миксоплоидия в апикальных меристемах: 1 - Т. officinale (2х + Зх); 2 - Р. officinarum (2х + 4х).

Очевидно, что это происходило за счёт изменения уровня плоидности в соматических клетках меристем или их производных - апоспоровых инициалях, так как даже при формировании нередуцированных зародышевых мешков и их оплодотворении гаплоидной пыльцой уровень плоидности потомков должен возрастать по отношению к уровню плоидности материнского растения лишь на 1х. На то, что изменчивость уровня плоидности именно в соматических клетках меристем растений в значительной степени свойственна исследованным апомиктам, указывают и полученные данные по частоте встречаемости у них в апикальных меристемах миксоплоидии. Степень распространения анеу- и миксоплоидов столь высока (до 60% от числа исследованных растений или их потомков), что нет оснований говорить о спонтанном, нерегулярном их возникновении.

Увеличение плоидности клеток, анеу- и миксоплоидия у высших растений в онтогенезе - обычное явление, но оно, как правило, не затрагивает стволовые клетки апикальных меристем, а реализуется лишь в процессе дифференциации клеток. Как следует из вышеизложенного, в случае автономных апомиктов из семейства Asteraceae обычным явлением становится изменение уровня плоидности, анеу- и миксоплоидия в клетках апикальных меристем при наличии в пределах одного апекса клеток до 3-4 разных уровней плоидности, зачастую ещё и с числом хромосом, не кратным основному числу. У ряда псевдогамных апомиктов из других семейств покрытосеменных также ранее обнаруживалась подобная геномная нестабильность либо в клетках меристем отдельных растений, либо в пределах локальных популяций. Ранее у отдельных растений Роа pratensis (Роасеае) в клетках меристем была также обнаружена миксоплоидия и анеуплоидные ряды (Мирошниченко, 1978).

Миксоплоидия выявлена и у Beta vulgaris (Chenopodiaceae) (Юданова, 2004). Выявление у членов агамных комплексов некоторых псевдогамных апомиктов Роасеае (Р. pratensis, Р. palustris и др., Boutelloa curtipendula), Asteraceae (Hierachim virosum) и Rosaceae (Potentilla gracilis) длинных

Таблица 5

Некоторые результаты многолетнего исследования частоты поли-, анеу- и миксоплоидии в клетках меристем вегетирующих растений и их

потомства при различных режимах цветения в популяциях автономных апомиктов А$1егасеае

Вид растений и условный № популяции Режим цветения Лимиты растений разных вариантов уровней плоидности, %

2х Зх 4х 5х 6х 7х анеуплоиды миксоплоиды

Pilosella officinarum (22а) мат 0 4.3-32.5 23.5-48.1 4.3-18.5 0 0 0-22.2 18.5-58.8

с/ц 0-19.0 6.7-80.0 0-54.2 0-24.0 0-31.5 0-16.0 11.8-50.0 10-46.2

из 0-10.9 0-26.1 10.5-83.3 0-39.4 0-10.7 0-12.5 8.3-42.8 6.5-46.4

кас 0-9.3 0-48.8 0-85.7 0-27.3 0-45.4 0 0-34.6 4.7-44.4

P. officinarum (33а) мат 0-68.2 26.1-37.9 4.5-43.5 0-3.5 0 0 8.5-39.3 0-30.4

с/ц 0-76.0 1.5-85.7 0-22.7 0 0 0 4.5-21.4 0-34.6

из 0-100 0-85.7 0 0 0 0 0-16.7 0-16.7

кас* 0 60.0 0 0 0 0 0 40.0

P. praealta (22г) мат 0 11.5-40.0 33.3-61.5 0-9.7 0 0 0-17.3 17.3-33.4

с/н 0 6.0-60.0 5.9-92.7 0-70.6 0-17.6 0 10.0-53.9 5.9-16.4

из 0 0-76.2 19.0-100 0-30.8 0-23.1 0 10.0-35.7 4.8-20.9

кас 0 0 0-64.3 0-60.0 0 0 6.7-36.4 0-27.3

Р. х officinarum-vaUlantii (22к) с/ц 0 0-80.0 20.0-61.1 0-15.8 0 0 7.5-44.4 0-47.4

из 0 33.3-80.0 20.0-57.1 0-50.0 0 0 7.1-40.0 0-27.8

кас 0-5.9 0-78.3 13.0-75.0 0-10.0 0 0 11.8-50.0 8.7-60.0

Taraxacum officinale (92) сц 2.6-70.0 21.1-73.7 0-2.6 0 0 0 21.1-36.8 8.9-39.5

из 0-40.9 33.3-64.5 0-12.5 0 0 0 19.4-53.1 22.6-25.8

кас 4.2-52.8 30.2-75.0 0-4.2 0 0 0 11.3-37.5 16.6-37.5

Т. officinale (48а) с/н 3.9-33.8 37.3-81.6 0-15.7 0-3.8 0 0 3.9-41.2 14.5-31.4

из 9.4-41.3 28.1-79.0 0-28.1 0 0 0 4.5-43.7 0-34.4

кас 7.3-18.5 29.3-83.3 0-17.1 0-2.4 0 0 9.0-48.8 5.6-43.9

Chondrilla juncea (67) с/ц 0 0-44.4 44.4-100 0 0 0 11.2-22.2 0-11.2

из 0 20.0-51.5 45.5-80.0 0 0 0 15.2-20.0 0-3.0

Ch. juncea (94) сц 0 64.7-95.0 0-17.6 0 0 0 52.9-60 5.0-17.7

из 0 30.8-100 0-23.1 0 0 0 16.7-46.1 0-38.4

кас* 0 25.0 25.0 0 0 0 25.0 50.0

Hieracitim umbellahm (93) с/ц 0-86.7 10.0-100 0 0 0 0 13.3-42.9 0-28.6

H. umbellatum (93a) с/ц 62.5-93.3 0-37.5 0 0 0 0 33.3-57.1 0-14.3

Примечание: с/ц - потомство в условиях свободного цветения; из - потомство в условиях цветения при изоляции некастрированных цветков; кас - потомство в условиях беспыльцевого режима цветения; мат - вегетирующие в популяции (материнские) растения; * - данные приведены по одному году исследований.

Таблица 6

Характер проявления анеуплоидии в семенном потомстве некоторых растений, вегетирующих в популяции _РНозеНа о01стагит (22а) в 2004 г._

Плоид- Анеуплоидные Проанализировано семенное потомство при:

5ч 5 ность материн- числа хромосом в клетках свободном цветении изоляции некастрированных цветков беспыльцевом режиме цветения

И> ь ского апикальных все- из них анеуплоидные все- из них анеуплоидные все- из них анеуплоид-

и та расте- меристем го, анеупло- числа го, анеупло- числа го, анеу- ные числа

я. ния мат.растения шт идов, шт хромосом шт идов, шт хромосом шт плоидов, шт хромосом

1 4х 0 0 1 0 0 0

3 4х-5х 33, 35,41,42, 44 6 5 28, 33, 35, 39, 43, 44 3 1 39,41,42, 43 4 3 49, 52, 53

6 5х 3 1 44, 43, 52, 53, 2 1 42,43, 44 0 0

7 Зх-4х 25, 26,31,34 0 0 4 3 33, 34, 35, 39, 40, 41, 52 0 0

8 Зх 3 2 41, 42, 43, 44 2 2 42, 43, 44 1 1 52, 53

9 Зх-5х 29,31,32, 34 0 0 0 0 0 0

и 4х-5х-6х 39, 44, 53 0 0 0 0 0 0

12 Зх-бх 32, 40, 42, 44 3 1 20, 21, 22 0 0 0 0

13 4х-5х 33,41,44 0 0 5 3 35, 42, 43, 44 0 0

14 4х-5х 35,42, 44 4 2 41,42, 44 4 3 32, 33, 34, 35 0 0

15 4х-5х 39, 43, 44 0 0 6 2 43, 44, 52 0 0

17 4х-5х 35, 38, 44 3 2 32, 33, 34 4 2 31, 32, 33, 34, 35 0 0

18 0 5 2 32, 34, 35 0 0 0 0

20 4х-5х 39,41,42, 44 4 2 29, 33, 34, 35 0 0 3 1 34, 42, 43, 44

24 30, 32, 34,

0 0 0 0 0 3 3 39,41,43, 46

27 4х-5х 2 1 33, 34, 35 0 0 0 0

Таблица 7

Характер проявления анеуплоидии у семенного потомства растений, вегетирующих в популяции Т. officinale (48а) в 2007 г._

а: s я <D Проанализировано семенное потомство при:

свободном цветении изоляции некастрированных цветков беспыльцевом режиме цветения

и Я все- из них с анеуплоидными все- из них с анеуплоидными числа все- из них с анеуплоидными числа

го, анеупло- числами го, анеупло- хромосом го, анеупло- хромосом

шт идов, шт хромосом шт идов, шт шт идов, шт

1 0 0 3 2 30, 33, 34 6 3 31,33, 34, 35, 36

4 2 2 33,42 0 0 0 0

6 4 2 19, 22, 23,25, 30,31 0 0 0 0

8 3 2 22; 23, 25, 27 3 2 18, 19, 20,22, 23 0 0

9 2 2 14, 15,17,21 0 0 0 0

10 2 1 17, 18, 22, 23 0 0 0 0

11 4 2 15, 22, 27 0 0 3 2 26, 39, 42, 44

12 3 1 34,35 0 0 2 1 18, 19

13 0 0 3 2 33, 34, 39, 40, 41 0 0

14 2 1 28, 34 4 2 21,23,33 5 2 19,21,22,23

16 0 0 4 2 13, 15, 19,20,23 2 1 15,31

17 5 3 17, 18, 19, 20,21,22, 23 0 0 4 2 18,22, 23

18 2 1 23 3 1 23 1 1 22,23

19 3 2 38 5 2 21,23,33 0 0

20 0 0 1 1 14 0 0

21 6 2 22, 23, 25, 26 0 0 5 2 15, 17, 19,21

22 4 2 30, 31, 38, 39 0 0 8 5 19,20,21,22,23,33,34, 35

23 3 2 15,18,21,23 5 2 20, 22, 37, 39 4 2 21,22, 33, 43

26 0 0 0 0 2 1 19,21,22, 23

27 3 1 21,25 0 0 0 0

28 0 0 2 1 30,31,33 0 0

29 2 2 38,39 0 0 0 0

30 1 1 30,31 0 0 0 0

полиплоидно-анеуплоидных рядов (Мирошниченко, 1978; Пулькина, Тупицыпа, 2000; Grant, 1981; Schmelzer, 1997), а во всех других агамокомплексах даже в пределах микровидов или отдельных популяций растений - полиплоидных рядов (Кашин, 2006; Grant, 1981; Gadella, 1988; Suda et al., 2007; Mraz et al., 2008; Kelley et al„ 2009; Cosendai, Hörandl, 2010), также

Таблица 8

Характер проявления миксоплоидии у некоторых вегетирующих в популяции РИо$е11а

о^сгпатт (22а) растений и их потомства при свободном режиме цветения и при _цветении в условиях изоляции некастрированных цветков в 2004 г._

Плоид- Проанализировано потомков, (шт.) при:

ность свободном цветении изоляции некастрированных цветков

к растения, с уровнем с уровнем

Z о вегетиру- о количе- плоидности о количе- плоидности

о. ющего в и ство миксоплоидов о ство миксоплоидов

■2. популяции М миксо- 4хЛ 5х- а миксо- 4х- 5х-

плоидов Зх-4х 5х бх плоидов Зх-4х 5х 6х

3 4х-5х 6 2 1 1 0 3 1 0 1 0

6 5х 3 1 0 0 1 2 0 0 0 0

7 Зх-4х 4 0 0 0 0 2 2 0 1 1

8 Зх 3 1 0 1 0 2 0 0 0 0

12 Зх-бх 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 4х-5х 5 0 0 0 0 5 2 0 2 0

15 4х 6 0 0 0 0 6 1 0 0 1

20 4х-5х 4 1 1 0 0 0 0 0 0 0

говорит о том, что у растений этих агамных комплексов имеет место подобного рода геномная нестабильность. Всё это в комплексе указывает на закономерное сопровождение гаметофитного апомиксиса явлениями анеу- и миксоплоидии и на геномную нестабильность апомиктов, проявляющуюся на уровне соматических клеток меристем.

Ранее нестабильность генома и изменение уровней плоидности растений у факультативных апомиктов в ряду поколений связывали исключительно с поведением хромосом в мейозе при микро- и мегаспорогенезе (Fagerlind, 1944, Rutishauser, 1967) и с альтернативностью выбора различных путей реализации на двух ключевых этапах процесса семенного воспроизводства (эуспория - апо-мейоз, зиготия - апозиготия) (Д'Амато, 1990; Кашин, 2006; Nogler, 1984). Явление миксоплоидии, наблюдаемое в клетках апикальных меристем в партено-генетических потомствах растений с мейотической диплоспорией, в частности, у Beta vulgaris, объяснялось феноменом геномных «онто- или эпимутаций», приводящим к спонтанному возникновению полиплоидных клеток среди диплоидных клеток меристем растений, который должен завершаться быстрой ди-плоидизацией популяции клеток апикальной меристемы с возвратом растений на прежний уровень плоидности (Малецкий, Малецкая, 1996; Малецкий, Коло-дяжиая, 1999). Максимум, что допускают авторы этих работ, - это формирование в семязачатках с многоклеточным археспорием мегаспор не то-

лько за счёт возникновения реституционных ядер из диплоидных археспори-альных клеток, но и из тетраплоидных клеток археспория за счёт мейоза.

Результаты наших исследований указывают на то, что геномная изменчивость в клетках апикальных меристем у автономных апомиктов не является результатом случайных эпимутаций, а есть следствие характерной для таких форм нестабильности генома в этих клетках на всех стадиях онтогенеза растений. Эта нестабильность генома в меристематических клетках растений автономно апомиктичных видов на всех стадиях их онтогенеза, вероятно, является следствием их гибридной и полиплоидной природы. В пользу этого говорит, с одной стороны, то, что все они являются полиплоидами, зачастую гибридоген-ной природы, а, с другой стороны, - то, что преимущественно лишь у гибридных и полиплоидных растений геномпая изменчивость затрагивает не только дифференцирующиеся соматические клетки, но и апикальные меристемы.

ВЫВОДЫ

1. В популяциях автономного апомикта Рйо$е11а о//1Ыпагит обнаружены растения 2-х типов: 1) с гермафродитными цветками, несущими пестик и 5 пыльников; 2) с женскими цветками, содержащими вместо пыльников стаминодии. Доля растений с женскими цветками в разные годы варьировала в интервале 41.17-100%.

1. В популяциях Р. о/рстагит в отношении уровня плоидности микрогаметофит является относительно стабильным элементом системы семенного размножения. Он имеет уровень плоидности, близкий или равный 1х.

3. Наблюдающиеся в микроспорогенезе нарушения и формирование стерильной пыльцы у автономного апомикта Р. о]Ц1стагит не связаны с функционированием тапетума. Развитие клеток тапетума происходит обычным для Аз1егассае путём.

4. В различные годы наблюдений материнских растений исследованных апомиктов АБТегасеае и их потомства, полученного в условиях различных режимов цветения, имела место существенная изменчивость как спектра уровней плоидности растений, так и долей растений каждого уровня плоидности.

5. В потомстве индивидуальных растений, особенно у апоспоровых апомиктов рода РИояеИа, даже при цветении в условиях беспыльцевого режима уровень плоидности зачастую был на 1х-3х выше или ниже уровня плоидности материнских растений. А в потомстве, полученном при свободном цветении или при цветении в условиях изоляции некастрированных цветков, превышение уровня плоидности потомков над уровнем плоидности материнских растений в том числе и у Р. о$\стагит зачастую было больше, чем на 1х.

6. При изучении цитогенетических особенностей генезиса клеток апикальных меристем обнаружена высокая частота анеу- и миксоплоидов у растений исследованных автономных апомиктов АэТегасеае (до 60 % от числа исследованных растений или их потомков). Это указывает на не спонтанное, а регулярное, закономерное их возникновение.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ * публикации в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ

1. Кашин A.C., Деиочко Ю.А., Мартынова B.C. Динамика кариотипической изменчивости в популяциях ряда апомиктичных и половых видов Asteraceae // Бюлл. ботан. сада СГУ. Вып. 1. Саратов, 2002. С. 121-129.

2. Демочко Ю.А., Кашин A.C., Мартынова B.C. О роли условий обитания в динамике кариотипической изменчивости в апомиктичных и половых популяциях Pilosella (Asteraceae) // Матер, науч. генетической конф. М., 2002. С. 139-141.

3. Демочко Ю.А., Кашин A.C., Мартынова B.C. Кариотипическая изменчивость в популяциях апомиктичного Taraxacum officinale в связи с условиями обитания //

. Интродукция растений. Охрана и обогащение биологического разнообразия: Матер, междунар. конф. Воронеж, 2002. С. 195-197.

4. Кашин A.C., Демочко Ю.А., Мартынова B.C. Кариотипический полиморфизм в популяциях некоторых апомиктичных и половых видов Taraxacum (Asteraceae) в связи с условиями обитания // Вопросы биологии, экологии, химии и методике обучения. Саратов, 2002. Вып. 5. С. 3-7.

5. Кашин A.C., Демочко Ю.А., Мартынова B.C. Динамика кариотипической изменчивости в популяциях апомиктичных видов Asteraceae в связи с условиями обитания // Актуальные проблемы генетики: Матер. II науч. конф МОГИС. Москва, 2003. С. 283-284.

6. Кашин A.C., Демочко Ю.А., Цветова М.И. Характер нарушений в мужской генеративной сфере в апомиктичных популяциях Pilosella oßicinarum // Актуальные проблемы генетики: Матер. П науч. конф МОГИС. Москва, 2003. С. 285-286.

7. Кашин A.C., Демочко Ю.А., Мартынова B.C. Динамика кариотипической изменчивости в популяциях апомиктичных видов Asteraceae в связи с условиями обитания // Тезисы докл. на XI Междунар. совещ. по филогении растений. Москва, 2003. С. 49-50.

8. *Кашин A.C., Демочко Ю.А., Мартынова B.C. Кариотипическая изменчивость в популяциях апомиктичных и половых видов агамных комплексов Asteraceae // Ботан. журн. 2003. Т. 88, № 9. С. 35-54.

9. Кашин A.C., Демочко Ю.А., Цветова М.И. Характер нарушений в мужской генеративной сфере в двух популяциях агамного комплекса Pilosella // Бюлл. ботан. сада СГУ. Вып. 2. Саратов, 2002. С. 201-207..

10. * Кашин A.C.,Демочко Ю.А. Семенная продуктивность в апомиктичных и половых популяциях некоторых видов Asteraceae // Ботан. журн. 2003. Т. 88, № 8. С. 42-56.

11. Кашин A.C., Демочко ЮЛ, Мартынова B.C. Динамика ano- амфимиксиса в популяциях некоторых видов Asteraceae в связи с условиями обитания // Ботанические исследования в азиатской Матер. XI съезда РБО. Т.2. Барнаул, 2003. С. 145-146.

12. *Кашин A.C., Кочанова И.С., Демочко Ю.А. Особенности семенного размножения в популяциях Chondrilla juncea и Chondriila graminae (Asteraceae) II Ботан. журн. 2006. Т. 91, № 5.С. 729-744.

13. Кашин A.C., Демочко Ю.А., Цветова М.И. Цитогенетические особенности клеток зародышевого пути и проблема детерминации 1'аметофитного апомиксиса // Фактори экспериментально! еволюцн оргажзмт. Т. 4. Кшв, 2008. С. 13-19.

14. Кашин A.C., Демочко Ю.А. Особенности изменчивости геномов растений в связи с проблемой детерминации гаметофитного апомиксиса // Геном рослин. Одесса, 2008. С. 78-81.

15. Кашин A.C., Демочко Ю.А. Характер цитогенетической изменчивости у апомикгов (на примере видов семейства Asteraceae) // Генетика и биотехнология XXI века: Фундаментальные и прикладные аспекты: Матер. Междунар. конф. Минск, 2008. С. 98-101.

16. Кашин A.C., Демочко Ю.А. Цитогенетические особенности генезиса клеток апикальных меристем у апомикгов (на примере видов Asteraceae) // Эмбриология, генетика и биотехнология: Матер. III Междунар. шк. молодых учёных. Саратов, 2009. С. 52-55.

17. Демочко Ю.А. Кашин A.C. Цитогенетические особенности генезиса клеток апикальных меристем при гаметофитном апомиксисе в связи с проблемой его возникновения // Матер. XII Московское совещ. по филогении растений, посвященное 250-летию со дня рождения Георга-Франца Гофмана. Москва, 2010. С. 254-257.

18. * Кашин A.C., Цветова М.И., Демочко Ю.А. Формирование пыльцы у апомиктичного вида Pilosella officinarum (Asteraceae) // Батан, журн. 2010. Т. 95, № 8. С. 1098- 1106.

19. 'Кашин A.C., Цветова М.И., Демочко Ю.А. Цитогенетические особенности генезиса клеток апикальных меристем при гаметофитном апомиксисе (на примере автономных апомиктов Asteraceae) // Цитология и генетика 2011. Т. 45, № 2. С. 28-40.

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 19.12.2011 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 1012

Типография "Техно-Декор", г. Саратов, Московская, 160, тел. 26-38-48

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Демочко, Юлия Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПОСЛЕДСТВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГАМЕТОФИТНОГО АПОМИКСИСА У ЦВЕТКОВЫХ (обзор литературы).

1.1 Гаметофитный апомиксис, полиплоидия и гибридогенез у цветковых.

1.2 Особенности микроспорогенеза у гаметофитных апомиктов.

1.3 Кариотипическая изменчивость в соматических и генеративных клетках у цветковых.

1.4 Генетический полиморфизм и гетерозиготность при гаметофитном апомиксисе.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Материал.

2.2. Методы исследования.

2.2.1 Цитологическое и цитогенетическое исследование микроспорогенеза у растений из популяций Р. о$1стагит.

2.2.2 Цитогенетическое исследование клеток апикальных меристем растений в популяциях ряда видов Аз1егасеае.

2.2.3 Статистическая обработка результатов.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ МИКРОСПОРОГЕНЕЗА У АВТОНОМНОГО АПОМИКТА РйоБеНа о/Дстагит.

3.1 Изменчивость половой структуры цветка в популяциях РИо8вПа о/Астагит.

3.2 Особенности развития клеток тапетума у РПоБеНа о/Астагит.

3.3 Микроспорогенез и процессы формирования пыльцы у РИояеНа о/Астагит.

3.4 Обсуждение результатов

Глава 4. КАРИОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ В КЛЕТКАХ АПИКАЛЬНЫХ МЕРИСТЕМ НЕКОТОРЫХ АВТОНОМНЫХ

АПОМИКТОВ ASTERACEAE.

4.1 Изменчивость уровня плоидности в популяциях автономных апомиктов Asteraceae.

4.1.1 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Pilosella officinarum.

4.1.2 Изменчивость уровня плоидности растений в популяции Pilosella praealta.

4.1.3 Изменчивость уровня плоидности растений в популяции Pilosella х officinarum-vaillantii.

4.1.4 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Taraxacum officinale

4.1.5 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Chondrillajuncea

4.1.6 Изменчивость уровня плоидности растений в популяциях Hieracium umbellatum

4.2 Анеуплоидия у растений в популяциях автономных апомиктов Asteraceae.

4.3 Миксоплоидия у растений в популяциях автономных апомиктов Asteraceae.Ill

4.4 Обсуждение результатов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Особенности формирования пыльцы и характер кариотипической изменчивости у некоторых автономных апомиктов Asteraceae"

Актуальность темы. Проблема гаметофитного апомиксиса у покрытосеменных по-прежнему приковывает к себе пристальное внимание. Более того, в последнее время интерес к ней значительно возрос. Но даже использование самых современных методов исследования* пока не вносит ясности в решение большинства вопросов, связанных с этой проблемой. Гипотетичными остаются, например, представления о характере генетического контроля апомиксиса, хотя определенный прогресс в этом направлении очевиден (Koltunow, Grossnikiaus, 2003; Bicknell, Koltunow, 2004; Kantama et al., 2007).

Известно, что на протяжении онтогенеза у большинства изученных видовфастений происходит полиплоидизация соматических клеток в органах и тканях в процессе их дифференциации путём политении, эндомитоза и анеуплоидии. Но в клетках апикальных меристем видовое число? хромосом сохраняется неизменным, что и обеспечивает генетическую стабильность вида (Кунах, 2005; Гриф -2007). Исключение преимущественно составляют гибридные и- полиплоидные растения, у которых кариотипическая изменчивость, как правило, затрагивает не только дифференцирующиеся соматические клетки, но* и- клетки апикальных меристем (Кунах, 2005). При этом спонтанная гибридизация^ и полиплоидия — явления, значительно распространенные среди высших растений (Otto, Whitton, 2000). Более того, признано, что эволюция* цветковых осуществляется в значительной степени именно с участием этих механизмов (Цвелёв, 2000; Гриф, 2007; Grant, 1981; Masterson, 1994; Soltis, Soltis, 1999; Bennett, 2004;). При этом, с одной стороны, и амфи-, и автополиплоидия растений в природе осуществляется преимущественно с участием либо гаметофитного апомиксиса, либо апомейоза, как элемента апомиксиса, ведущего к формированию нередуцированных гамет (Кашин, 2006; Bretagnolle, Tompson, 1995; Roche et al., 2001), a с другой, - фактически все апомикты являются, полиплоидами, причём преимущественно; аллополиплоидами. (Grant, 1981). Как следствие, у них широко распространён кариотипический полиморфизм.

Однако^ несмотря на то, что кариотипическая нестабильность апомиктов ■ давно известна, масштабы её, особенно у автономных' апомиктов, остаются* недостаточно изученными. Для автономных апомиктов, ранее не: проводилось, специальных исследований по выявлению характера кариотипической нестабильности; в апикальных меристемах: Остаётся неясным № то-. насколько стабильным по уровню плоидности у автономных, апомиктовшвляется микрогаметофит:.Очевидно, что исследованияшодобногол рода могут быть в дальнейшем базой: для молекулярно-генетического изучения природыгаметофитногоапомиксиса.

Цель исследования. Выявление особенностей!: микроспорогенеза и характера кариотипической изменчивости при гаметофитном апомиксисе у растений некоторых автономных факультативных апомиктов ^/егасеае. Для достижения цели решались следующие задачи: выявить половую структуру цветков, в популяциях Pilosella officinarum B. Schultz et Sch. Bip:;:

Iфоследить особенности формирования клеток таиетума в пыльниках Р: officinarum; изучить особенности! , микроспорогенеза автономного апомикта P. officinarwn\

-выявить, характер изменчивости уровня плоидности растений популяцийшекоторых автономных,апомиктов Asteraceae; исследовать особенности проявления анеуплоидии в клетках апикальных меристем растений?автономных апомиктов Asteraceae; установить частоту миксоплоидии в апикальных меристемах растений автономных апомиктов Asteraceae:

Научная новизна. Впервые на примере растений вида Р. о^гс'тагит показано, что микрогаметофит автономных апомиктов может быть стабильным по уровню плоидности, оставаясь равным 1х независимо от уровня плоидности растений. Установлено, что у исследованных автономных апомиктов Аз1егасеае даже в потомстве одного материнского растения с высокой частотой встречаются особи разных уровней плоидности. Впервые выявлена геномная нестабильность в клетках апикальных меристем данных видов, выражающаяся в анеу- и миксоплоидии. При этом обнаружено, что частота анеу- и миксоплоидов в апикальных меристемах изученных апомиктов столь высока, что есть все основания' говорить* о ней как о характерной, свойственной автономным апомиктам особенности генезиса клеток их апикальных меристем.

Научно-практическая значимость, работы. Полученные данные могут быть использованы для сравнительного анализа при изучении других апомиктичных видов. Изложенные в диссертационной работе сведения будут полезны при разработке спецкурсов« по цитогенетике, репродуктивной биологии, эмбриологии растений. Результаты исследования' характера кариотипической-изменчивости в клетках апикальных меристем апомиктов могут быть в дальнейшем базой для молекулярно-генетического изучения природы гаметофитного апомиксиса и особенностей регуляции клеточного цикла в апикальных меристемах апомиктов.

Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ№ 00-04-49376, 05-04-49001, 08-04-00319.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на науч. генетической конф., посвящ. 100-летию со дня рождения А.Р. Жебрака (Москва, 2002); Междунар. конф. «Интродукция растений. Охрана и обогащение биологического разнообразия» (Воронеж, 2002); II науч. конф. МОГИС, посвящ. 115-летию со дня рождения Н.И. Вавилова, (Москва, 2003); Междунар. совещ. по филогении растений (Москва, 2003); III съезде ВОГиС

Москва, 2004); Междунар. конф. «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006); IV Междунар. науч. конф. «Факторы экспериментальной эволюции организмов» (Алушта, Украина, 2008); V Междунар. науч. конф. «Геном растений» (Одесса, Украина, 2008); Междунар. конф. «Генетика и биотехнология XXI века: Фундаментальные и прикладные аспекты» (Минск, Белоруссия^ 2008); III Междунар. школе молодых ученых «Эмбриология; генетика и биотехнология» (Саратов, 2009); XII Московском, совещ. по филогении растений, посвящ>. 250-летию со дня рождения Георга-Франца Гофмана (Москва, 2010); Всеросс. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня» рождения С.С. Хохлова (Саратов, 2010); Междунар. конф. «Биология? развития: морфогенез репродуктивных структур и роль-стволовых клеток^ в онтогенезе и эволюции» (Санкт-Петербург, 2010).

Публикации. По теме диссертации» опубликовано 19 работ, пять из, которых - в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

Декларация личного участия автора. Автор лично в 2002 — 2007 гг. провёл экспедиционные исследования по сбору материала. Цитологический- и цитогенетический анализы материала полностью' осуществлены автором. Анализ шолученных результатов проведён автором самостоятельно по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в подготовке и написании совместных публикаций составляет 30 - 50 %.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем работы 161 страница, содержит 25 таблиц, 8 рисунков. Список литературы включает 386 источников, в том числе 247 на иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Ботаника", Демочко, Юлия Александровна

выводы

1. В популяциях автономного апомикта РИойеИа о/Дстагит обнаружены растения 2-х типов: 1) с гермафродитными цветками, несущими пестик и 5 пыльников; 2) с женскими цветками, содержащими вместо пыльников стаминодии. Доля растений с женскими цветками в-разные годы варьировала в интервале 41.17 — 100%.

2. В популяциях Р. о£Астагит в отношении уровня плоидности микрогаметофит является относительно стабильным элементом системы семен-ного размножения. Он имеет уровень плоидности, близкий или равный 1х.

3. Наблюдающиеся в микроспорогенезе нарушения и формирование стерильной пыльцы у автономного апомикта Р. о/Астагит не связаны с функционированием тапетума. Развитие клеток тапетума происходит обычным для Аз1егасеае путём.

4. В- различные годы наблюдений материнских растений, исследованных апомиктов Аз1егасеае и их потомства, полученного в условиях различных режимов цветения, имела место существенная изменчивость < как спектра' уровней плоидности растений, так и долей растений каждого уровня плоидности.

5. В потомстве индивидуальных- растений, особенно у апоспоровых апомиктов рода РИозеНа, даже при цветении в условиях беспыльцевого режима уровень плоидности зачастую был на 1х-3х выше или ниже уровня плоидности материнских растений: А в потомстве, полученном при свободном цветении или при цветении в условиях изоляции некастрированных цветков, превышение уровня плоидности потомков над уровнем плоидности материнских растений в том числе и у Р. о/Астагит зачастую было больше, чем на 1х.

6. При изучении цитогенетических особенностей генезиса клеток апикальных меристем обнаружена высокая частота анеу- и миксоплоидов у растений исследованных автономных апомиктов Asteraceae (до 60 % от числа исследованных растений или их потомков). Это указывает на не спонтанное, а регулярное, закономерное их возникновение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В обеих исследованных популяциях Р. о£рстагит в разные годы встречались растения: 1) с гермафродитными цветками; 2) с женскими цветками, содержащими вместо пыльников 5 стаминодиев. У растений с гермафродитными цветками наблюдали значительные нарушения процессов микроспо'рогенеза. Характер нарушений мейоза почти полностью, совпадал у изученных растений, но частота нарушений значительно варьировала как между растениями; так и в разных цветках одного растения. У всех изученных растений часть клеток на разных стадиях микроспорогенеза дегенерировала, что вело к, формированию стерильных пыльцевых зёрен (до 50-60%).

Процессы, ведущие к образованию стерильных пыльцевых зёрен у Р. о/Астагат связаны, в- основном, с нарушениями микротрубочкового аппарата в- материнских клетках микроспор, скорее1 всего; как вторичного эффекта нарушения конъюгации в профазе I. Большой процент стерильной пыльцы при нормально формирующемся тапетупе указывает на то, что причинамик стерильности являются« именно отклонения* в нормальном течении мейоза и- гаметофитогенеза, вызванные несбалансированностью генома, а не нарушениями питающей функции, клеток тапетума.

В исследуемом материале' очень редко* встречались явления, которые могли бы»привести к существенному варьированию уровня1 плоидности среди изредка формирующихся фертильных пыльцевых зёрен. Многочисленные отставания хромосом в ана-телофазе первого и второго делений; вероятнее всего, приводили к образованию анеуплоидии по нескольким* хромосомам, результатом чего является формирование нежизнеспособных пыльцевых зёрен. Участие или- неучастие гаплоидных пыльцевых зёрен- в оплодотворении редуцированных или нередуцированных зародышевых мешков у Р. аЦгстагит должно приводить к возникновению1 зародышей с уровнем плоидности, равном материнскому, а также на 1х выше или ниже такового.

В исследованных популяциях P. officinarum, в отношении кариотипической изменчивости микрогаметофит является относительно стабильным элементом. Он несёт гаплоидный набор хромосом и формируется только у растений« с диплоидной спорогенной тканью через мейоз. Большое число аномалий микроспорогенеза и микрогаметофитогенеза указывает на то, что даже такие растения имеют несбалансированный геном и высокий процент анеуплоидов. Нормальное течение мейоза у них затруднено. При оплодотворении такой пыльцой уровень плоидности у потомков по отношению к родительским растениям мог увеличиваться лишь на 1х.

При подсчете- числа хромосом в апикальных меристемах одних и тех же растений популяций P. officinarum было выявлено »значительное варьирование уровня,плоидности (2х—1х)не только на внутрипопуляционном уровне, но и в потомстве индивидуальных растений, полученном при. разных режимах цветения (свободном опылении, при цветении в условиях беспыльцевого режима и при цветении в условиях изоляции* некастрированных цветков). До 50 - 70% потомства имело уровень» плоидности« ниже или выше уровня плоидности< материнских растений! Существенной была доля, растений, потомство которых было представлено растениями нескольких уровней плоидности. Во» многом сходная картина кариотипической изменчивости у растений, вегетирующих в популяциях, и. в их семенном потомстве обнаружена и-у растений популяций остальных исследованных апомиктов.

У растений, вегетирующих в популяциях ряда видов Asteraceae, и в, их потомстве, обнаружено, что для растений, как апоспоровых (различные виды Pilosella), так и диплоспоровых (виды Taraxacum, Hieracium и Chondrilla) автономных апомиктов, в значительной мере свойственна ещё и анеу-, и миксоплоидия. Степень распространения анеу- и миксоплоидов столь высока до 30 - 60% от числа исследованных растений или их потомков), что нет оснований говорить о спонтанном, нерегулярном их возникновении.

В* исследуемых популяциях отмечены многочисленные случаи, когда уровень плоидности потомков по отношению к вегетирующим в популяциях растениям возрастал более чем на 1х. Это могло происходить только-за. счёт изменения уровня плоидности в соматических клетках меристем или их производных - апоспоровых инициалях, так как даже при« формировании нередуцированных зародышевых мешков и их оплодотворении гаплоидной пыльцой уровень плоидности потомков1 должен возрастать по отношению к уровню плоидности материнского растения лишь на- 1х. На то, что изменчивость-уровня-плоидности именно в» соматических клетках меристем растений в значительной степени свойственна исследованным, апомиктам, указывают и полученные данные по высокой частоте встречаемости у них в апикальных меристемах миксоплоидии.

Увеличение плоидности клеток, анеу- и миксоплоидия у высших растений в онтогенезе - обычное явление, но оно, как правило, не затрагивает стволовые клетки апикальных меристем, а реализуется лишь в процессе дифференциации! клеток: Как следует, из, вышеизложенного, в* случае автономных апомиктов А^егасеае обычным** явлением становится изменение уровня плоидности; анеу- и миксоплоидия,в клетках апикальных меристем? при- наличии, в* пределах одного апекса клеток до 3-4 разных уровней плоидности, зачастую» ещё и с числом хромосом, некратным основному числу. Всё это в комплексе говорит о закономерном сопровождении гаметофитного апомиксиса явлениями анеу- и миксоплоидии и о геномной нестабильности- апомиктов, проявляющейся* на уровне соматических клеток меристем.

Ранее нестабильность генома и изменение уровней плоидности растений у факультативных апомиктов. в ряду поколений связывали исключительно с поведением хромосом в мейозе при микро- и мегаспорогенезе (Ра§егНпс1, 1944, ЯиизЬаиБег, 1967) и с альтернативностью

124 выбора различных- путей; реализации на двух ключевых этапах процесса семенного воспроизводства (эуспория — апомейоз, зиготия — апозиготия) (Д'Амато, 1990; Кашин, 2006; >^1ег, 1984); Явление миксоплоидии, обнаруживаемое в клетках апикальных меристем в; партеногенетических потомствах растений объяснялось феноменом геномных «онто- или эпимутаций», приводящим к спонтанному возникновению полиплоидных клеток среди диплоидных- клеток меристем растений! Этот: феномен должен завершаться быстрой»: диплоидизацией популяции клеток апикальной меристемы с возвратом растений на прежний уровень плоидности (Малецкий, Малецкая, 1996; Малецкий, Колодяжная, 1999).

Результаты наших; исследований указывают на то, что геномная изменчивость в клетках апикальных меристем у апомиктов не является; результатом случайных эпимутаций; а есть следствие характерной для таких форм нестабильности генома? в этих; клетках на всех стадиях онтогенеза растений: Эта нестабильность генома в меристематических клетках растений; апомиктичных видов на всех стадиях их онтогенеза; вероятно; является, следствием/гибридношищолиплоиднойщрироды гаметофитньгх апомиктов: В1 пользу этого говорит, с одной? стороны; - то, что все они являются полиплоидами; ш зачастую полиплоидами; гибри до генной природы, а, с другой стороны; то, что преимущественно лишь у гибридных или полиплоидных растений геномная: изменчивость затрагивает не только дифференцирующиеся соматические клетки, но и апикальные, меристемы.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Демочко, Юлия Александровна, Саратов

1. Абрамова Л.И. Определение числа хромосом и описание их морфологии в меристеме и пыльцевых зёрнах культурных растений. Л, 1988. 61 с

2. Айала Ф., Кайгер Д. Современная генетика Т.З. М., 1988. 331с.

3. Алтухов Ю. П. Генетические процессы в популяциях. М., 2003. 432с.

4. Алтухов Ю.П. Популяционная генетика рыб. М, 1974. 245 с.

5. Алтухов Ю.П., Победоносцева Е.Ю. Особенности* генетического процесса в экспериментальной популяционной системе Drosophila melanogaster II Журнал общей биологии. 1979. Т. 40, № 6. С.916-923.

6. Бажина Е.В., Квитко О.В., Муратова E.H. Мейоз при микроспорогенезе и жизнеспособность пыльцы у пихты сибирской в среднегорье Восточного Саяна//Лесоведение. 2007. №1. С.57-64.

7. Банникова В.П. Цитоэмбриология межвидовой несовместимости у растений. Киев, 1975.

8. БатыгинаТ.Б. Хлебное зерно. Л., 1987. 103 с.

9. Батыгина Т.Б. Эмбриоидогения новая категория способов размножения цветковых растений // Проблемы репродуктивной биологии семенных растений / Тр. БИН РАН. Вып. 8. СПб., 1993t С. 1525.

10. Батыгина Т.Б. Генетическая гетерогенность семян: эмбриологические аспекты // Физиол. раст. 1999. Т. 46, № 3. С. 438-454.

11. Батыгина Т.Б. Эмбриоидогения новый тип вегететивного размножения // Эмбриология цветковых растений: Терминология и концепции! Т. 3. Системы репродукции. СПб., 2000. С. 334-350.

12. Бобров Е.Г. Об интрогрессивной гибридизации и ее значении в эволюции растений // Бот. Журн. 1980. Т. 65, № 8. С. 1065-1070.

13. Богуславский Р.П;, Жуков В.И. Спонтанная гибридизация у видов рода Aegilops Ь. в условиях Дагестана // Бюлл. ВНИИ растениеводства. 1978. № 84. С. 65-68. .

14. Бормотов В:Е., Загрекова В.Н. Создание тетраплоидных форм сахарной свеклы: с помощью, нередуцирую щих гамет // Апомиксис и цитоэмбриология. Саратов, 1978. №. 5. С. 102-103.

15. Буторина А.К., Кормильцына К.В. Цитогенетические и анатомические особенности березы повислой из тридцатикилометровой зоны Нововоронежской АЭС // Онтогенез. 2001. Т. 32, №6. С. 4218-4233.

16. Валеева З.Т., Тимин Н.И. Различие форм мужской; стерильности5 тетраплоидного типа цветков моркови // Тр. ВНИИ селекц. и Семенов, овощ., культур. 1980. № 12. С. 94-98.

17. ГлазкоВ.И., ГлазкоГ.В. Русско-англо-украинскийтолковый словарь по прикладной генетике, ДНК-технологии и- биоинформатике. Киев, 2001. 588с. '

18. Глазунова?К.Ж.; Микроспорогенез^/с/гет///«^ЬшсезсепБ Жа\\г. II Вестн. Моск. ун-та. Сер. биол., почв. 1981. Т. 4. С. 31-35.

19. Глазунова К.П. Апомиксис у восточноевропейских представителей рода А1скетШа Ь.: Автореф. дисс.— канд. биол. наук. М., 1984. С. 1-17.

20. Глазунова К.Г1. Образование зародышевых мешков у агамных видов манжетки (АкИетШа Ь.) // Бюлл. МОИП. Отд. Биол. 1987. Т. 92, № 51 С. 96-110.

21. Голубовская И.Н. Генетический контроль поведения хромосом в мейозе // Онтогенез. 1975. Т. 6, № 2. С. 127-139:

22. Готшалк В: Полиплоидия в эволюции высших растений // Современные достижения молекулярной; биологии хромосом и клеток. Алма-Ата, 1989. С. 7-45.

23. Гриф В.Г. Мутагенез и филогенез растений // Цитология; 2007. Т. 49, № 6. С.435-440.24.