Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности семенного размножения видов рода Salix L. Саратовской области

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Особенности семенного размножения видов рода Salix L. Саратовской области"

На правах рукописи

Угольникова Екатерина Владимировна

ОСОБЕННОСТИ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ ВИДОВ РОДА БАЫХ Ь. САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

03.02.01 - ботаника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г і ноя 2013

Пермь-2013

005538866

Работа выполнена на кафедре методики преподавания биологаи и экологии и в Учебно-научном центре «Ботанический сад» в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Кашин Александр Степанович

Официальные оппоненты:

Круглова Наталья Николаевна - доктор биологических наук, профессор, ФГБУН «Институт биологии Уфимского научного центра РАН», заместитель директора по научной работе

Колясникова Надевда Леонидовна - доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова», заведующая кафедрой ботаники, генетики, физиологии растений и биотехнологий

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

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет», по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, зал заседаний Ученого Совета.

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

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

Автореферат разослан 15 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Шибанова Наталья Леонидовна

Актуальность темы. Перспективы развития современного общества предусматривают интенсивное развитие биологической науки и практическое использование ее достижений, в частности, разработку и внедрение новых высокоэффективных методов селекции. Особенно интересен в этом отношении апо-миксис (Savidan, 1995, 2001; Spillane et al., 2001; Albertin et al., 2010). Он открывает возможности закрепления желательных признаков у высокогетерозисных форм, ценных отдаленных гибридов, мутантов, полностью сохраняя комплекс их хозяйственно-ценных свойств. Однако основным культурным растениям в регулярной форме он не свойственен. Все это делает необходимым всестороннее теоретическое изучение сложного явления апомиксиса как в плане причин его возникновения, особенностей и стабильности наследования элементов апомиксиса, так и в плане изменчивости частоты проявления признаков апомиксиса у растений в популяциях.

Исследование апомиксиса имеет уже 150-летнюю историю (Braun, 1857; Strasburger, 1878; Winkler, 1908; Schnarf, 1929; Gustafsson, 1946, 1947; Koltunow et al., 1995; Vielle Calzada et al., 1996; Koltunow, 1998; Rodrigues, 2008). В настоящее время ведется интенсивное изучение апомиксиса с точки зрения систематики, эмбриологии, кариологии, молекулярной и популяционной генетики (Шишкинская, Юдакова, 2009; Savidan, 2000; Richards, 2003).

Однако даже вопрос о широте и степени распространения этого явления у покрытосеменных до сих пор остается открытым (Кашин и др., 2009), несмотря на достаточно многочисленные попытки составить списки апомиктичных видов, родов и семейств (Хохлов и др., 1978; Fryxell, 1957; Hanna, Bachaw, 1987; Asker, Jerling, 1992; Carman, 1995, 1997; Noyes, 2007). В списке J. Carman указано 406 апомиктичных видов 126 родов из 35 семейств. Очевидно, что этот список далек от исчерпывающего. Это красноречиво показывают результаты исследования видов семейства Asteraceae в пределах одной Саратовской области, предпринятые в последние годы. В ходе этих исследований апомиксис обнаружен у 18 видов и 7 родов, которые не отмечены в списке J. Carman (1995, 1997), что расширяет список апомиктичных родов апомиктов данного семейства на 25%, а список видов - более чем на 10% (Кашин и др., 2009).

В целом цветковые растения, и в частности род Salix L. (Salicaceae), изучены в отношении способов семенного воспроизводства явно недостаточно, поэтому любые исследования их системы семенного размножения заслуживают внимания. К числу признаков, косвенно указывающих на высокую вероятность апомиксиса у видов, относятся такие признаки, как широкие географические ареалы, космополитизм, сложная таксономическая дифференциация и внутривидовой полиморфизм, принадлежность к крупным семействам и родам (Хохлов, 1965). Представители рода Salix характеризуются именно этими признаками.

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

Цель исследования. Цель работы заключалась в выявлении способности к гаметофитному апомиксису у растений видов рода Salix во флоре Саратовской

з

области по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения и цитоэмбриологическим особенностям развития женской генеративной сферы. Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Изучить семенную продуктивность растений видов Salix при различных режимах цветения (свободном опылении и беспыльцевом режиме).

2. Цитоэмбриологически исследовать структуру мегагаметофитов и семязачатков у растений видов Salix в отношении признаков апомиксиса.

3. Выявить способы семенного воспроизводства и особенности их реализации у растений различных видов Salix.

Научная новизна. Впервые с целью выявления апомиктичных форм проведено детальное исследование популяций 10 видов и 1 гибрида рода Salix, произрастающих на территории Саратовской области. Впервые выявлена способность к гаметофитному апомиксису у 7 видов рода. Показано, что у них имеет место существенная межвидовая, межпопуляционная и внутрипопуляци-онная изменчивость частоты реализации этого способа воспроизводства и его цитоэмбриологических признаков. Показано, что для выявления способности растений видов Salix формировать семена апомиктичным путем необходимо неоднократное изучение данного параметра в популяциях, так как у них апо-миксис проявляется не во все годы и не во всех популяциях.

Научно—практическая значимость работы. Полученные данные могут использоваться для уточнения списка и характера распространения апомиктичных видов у цветковых, для сравнительного анализа при изучении других апомиктичных видов, для расширения данных по эмбриологии ив. Материалы диссертационной работы будут полезны при разработке спецкурсов по репродуктивной биологии, эмбриологии растений, современным методам селекции, экологии видов цветковых. Модифицированная методика выявления частоты ам-фи- и апомиксиса в популяциях может быть использована при определении этих параметров у других представителей цветковых. Исследованные видооб-разцы включены в уникальную коллекцию in situ апомиктичных видов.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на II (X) Междунар. ботанич. конф. молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012); IV Меж-дунар. школе молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (Пермь, 2012); XI Междунар. научно-практич. конф. «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2012); IX съезде Украинского общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (Алушта, 2012); XIII съезде Русского ботанического общества (Тольятти, 2013.); Междунар. научно-практич. конф. молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летию Г.К. Мейстера «Инновационное развитие АПК в России» (Саратов, 2013); XX Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, три из которых - в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Декларация личного участия автора. Автор лично провел в 2010 — 2013 гг. экспедиционные исследования по сбору материалов для изучения. Цитоэм-бриологический анализ материала и исследование семенной продуктивности

4

популяций полностью осуществлены автором. Анализ полученных результатов проведен автором самостоятельно по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в подготовке и написании совместных публикаций составляет более 50%.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 140 страниц, содержит 15 таблиц, 17 рисунков. Список литературы включает 252 источника, в том числе 119 - на иностранных языках.

Основные положения, выносимые на защиту:

- политипический род Salix относится к числу высокоапомиктичных;

— высокие температуры воздуха в апреле, т.е. в период развития цветков, цветения и ранних стадий формирования семян, у растений S. acutifolia, S. cinerea, S. vinogradovii, S. triandra, S. rosmarinifolia способствуют более полной реализации потенциала формирования семян путем апомиксиса, в то время как оптимальные среднемесячные температуры, выпадающие на этот период, приводят к преобладанию амфимиктичного способа воспроизводства.

Содержание работы

1 ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ У ЦВЕТКОВЫХ (литературный обзор)

В главе дается обзор литературы о способах семенного воспроизводства цветковых растений (Петров, 1976; Подцубная-Арнольди, 1976; Мейнард Смит, 1981; Куприянов, 1989; Кашин, Шишкинская, 1999; Батыгина, 2000; Steeves, 1983), их преимуществах и недостатках (Хохлов, 1949; Мюнтцинг, 1967; Петров, 1979; Кашин, 2006; Шишкинская, Юдакова, 2009; Winkler, 1920; Gustafsson, 1946; Stebbins, 1946; Nygren, 1951; Clausen, 1954; de We, Harlan, 1970; Asker, 1979), о степени изученности цветковых в отношении присущего им способа образования семян (Сравнительная..., 1981-1990; Хохлов и др., 1978; Куприянов, 1989; Кашин и др., 2007), о закономерностях и широте распространения апомиксиса среди цветковых растений (Петров, 1979; Кашин и др., 2009; Emst, 1918; Schnarf, 1929; Fryxell, 1957; Müntzing, 1967; Grant, 1981; Bierzychudek, 1987; Hanna, Bachaw, 1990; Asker, Jerling, 1992; Brummitt, 1992; Carman, 1995, 1997; Koltunow,-Johnson, 2000), о степени изученности явления апомиксиса у видов рода Salix (Федорова-Саркисова, 1931; Бекетовский, 1932; Николаева, 1964; Барна, 1969; Коц, 1967; Лакшманан, 1990; Валягина-Малютина, 2004; Шамров, 2008; Камелина, 2009; Василевич, 2009; Бакулин, 2010; Машкина и др., 2010; Ikeno, 1922; Blackburn, Harrison, 1924; Nagaraj, 1952; Hakansson, 1956; Tralav, 1957; Kopecky, 1960).

2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводили в 2010-2013 гг. Изучены 19 естественных популяций 10 видов и 1 популяция межвидового гибрида рода Salix из различных районов Саратовской области: S. acutifolia (популяции № 1, 12) и 5. caspica (№ 27) из Лысогорского р-на (Лс), S. acutifolia (№ 8), S. cinerea (№ 4) и S.

5

rosmarinifolia (№ 9) из Марксовского р-на (Мр), S. acutifolia из Балашовского р-на (№ 23 Блш), S. саргеа (№ 2) и S. triandra (№ 6) из Красноармейского р-на (Кр), S. саргеа из Татищевского р-на (№ 17 Тат), S. alba (№ 30) и S.fragilis (№ 31) из Татищевского и Аткарского р-на (Тат-Атк), S. fragilis (№ 19) и S. rosmarinifolia (№ 20) из Новобурасского р-на (НБ), S. vinogradovii (№ 5) и S. rosmarinifolia (№ 10) из Краснокутского р-на (КрК), S. triandra из Федоровского р-на (№ 28 Фед), S. dasyclados из Петровского р-на (№ 16 Пет), S. viminalis * S. cinerea из Саратовского р-на (№ 33 Сар). Из 16 видов рода, указанных для Саратовской области (Еленевский и др., 2008), исследованы популяции 2/3 видов.

В главе дана краткая ботаническая характеристика исследованных видов (Малютина, 1972; Скворцов, 1981; Бормотов, Нилов, 1987; Субоч, 1985, 1988; Валягина-Малютина, 2004).

Сведения о погодных условиях на протяжении вегетационных периодов 2010-2013 гг. в районах исследования любезно предоставлены метеостанцией НИИСХ Юго-Востока или взяты из архива сайта http:\\ www.rp5. Среднемесячные температуры в апреле, т.е. в период развития цветков, цветения и ранних стадий формирования семян у растений видов Salix, в годы наблюдения синхронно изменялись по районам исследования, сходно отличаясь по конкретному году от среднемноголетней нормы (рис. 1).

Исследовали семенную продуктивность растений в популяциях при свободном опылении и беспыльцевом режиме цветения. Для обеспечения беспыльцевого режима цветения в фазу бутонизации возможность опыления и оплодотворения предотвращали с помощью механической изоляции женских соцветий, тщательно контролируя отсутствие на них пыльников. Анализ семенной продуктивности производили спустя 3-4 недели (после периода полного созре-

16

14

а 12

І У м

к я„ Я Ч 8 £ о т а.

6

о

о.

U

я

.....

••„• V ІЛІ •

----2010

--2011

-2012

.....20ЇЗ

—- • N

1 23456789 Населенный пункт с метеостанцией 8 районе исследования

Рисунок 1. Среднемесячные температуры апреля в 2010-2013 гг. по данным метеостанций Саратовской области, по расположению близких к исследованным популяциям: 1 - Петровск; 2 - Свободный (Базарно-Карабулакский р-н); 3 - Аткарск; 4 - Октябрьский городок (Татшцевский р-н); 5 - Каяининск; 6 - Саратов (НИИСХ Юго-Востока); 7 - Маркс; 8 - Красный Кут; 9 - Сплавнуха (Красноармейский р-н); N - среднемноголетняя норма

вания семян). При подсчете семена разделяли на два морфологических класса по степени выполненности (выполненные и щуплые). Затем вычисляли частоту завязываемости семян, как процентное отношение числа выполненных семян к общему числу выполненных и неразвившихся семян. Частоту апомиксиса вычисляли как процентное отношение семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения к семенной продуктивности при свободном опылении.

Соцветия для цитоэмбриологического анализа фиксировали за 1-3 суток до начала цветения в фиксаторе Кларка (96%-ный этанол - 3 части; ледяная уксусная кислота - 1 часть) и сохраняли до периода изучения. Исследовали в среднем 30 растений в популяции каждого вида, отбор которых осуществляли случайным образом.

Препараты зародышевых мешков готовили под стереомикроскопом Stemi 2000 (Karl Zeiss, Германия) с использованием комбинации элементов двух методик (Куприянов, 1982; Heir, 1971). При этом из завязей вычленяли семязачатки, по возможности максимально удаляли слои соматических клеток. Оставшуюся центральную часть семязачатка с женским мегагаметофитом помещали на предметное стекло в каплю просветляющей жидкости и исследовали методом фазово-контрастной микроскопии под микроскопом AxioLab (Karl Zeiss, Германия) при увеличении х 400. Для просветления семязачатков использовали просветляющую жидкость Герра (Негг, 1971).

О частоте цитоэмбриологических признаков апомиксиса судили по частоте встречаемости в семязачатке апоспорических инициален или их производных, а также зародышевых мешков с признаками развития зародыша и (или) эндосперма без оплодотворения. В целом проанализировано 9665 семязачатков.

Результаты анализа статистически обработаны с помощью программного продукта Microsoft Office Excel 2007. Для каждого параметра определяли среднюю арифметическую и ошибку средней арифметической. Сравнение вариационных рядов осуществляли по критерию Стьюденга, критерию Фишера или по результатам корреляционного анализа при Р = 0.95 (Гланц, 1999).

Микрофотографирование осуществляли с использованием видеоадаптера LA-DC58K при помощи цифровой камеры Canon Power Shot G11.

3 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ У ВИДОВ S AUX

Семенная продуктивность при различных режимах цветения. В популяциях исследованных видов в 2010 г. при свободном цветении в основном отмечена высокая семенная продуктивность. Она находилась в диапазоне 55.682.7% при среднем значении 66.0%. В 2011 г. лишь в 3-х популяциях опускалась ниже 50%, в остальных - находилась в диапазоне 53.2-92.8% при среднем значении 59.0%. В 2012 г. диапазон изменчивости семенной продуктивности при свободном цветении был 9.7-87.3% при среднем значении 54.8%. В 2013 г. диапазон изменчивости был 0.0-65.2% при среднем значении 37.7% (табл. 1; рис. 2). Таким образом, на протяжении четырех лет наблюдений в популяциях видов рода в среднем имело место снижение семенной продуктивности при

свободном цветении с 70% до 40%.

Исследованные виды характеризовались существенной внутри- и межпо-пуляционной изменчивостью семенной продуктивности при данном режиме цветения. Так в популяции № 8 S. acutifolia в 2011 г. она была около 30%, в

2012 г. - около 90%, а в 2013 г. - равной 0%. Однако, не все популяции видов Salix демонстрировали столь широкий диапазон изменчивости. Например, в популяциях № 1 и 12 этого же вида семенная продуктивность при свободном цветении была более стабильной, варьируя в узком диапазоне (55.6-65.2% - в популяции № 1 и 64.2-86.3% - в популяции № 12). В популяции № 17 S. саргеа диапазон внутрипопуляционной изменчивости по трем годам наблюдения был 6.6-43.1%. В популяции № 4 S. cinerea семенная продуктивность при свободном цветении оставалась стабильной на протяжении двух лет наблюдений (46.3 и 48.6%, соответственно). Существенной изменчивостью характеризовались популяции № 5 S. vinogradovii (19.1-69.1%), № 28 S. triandra (11.3-85.7%), № 9 (0.0-75.2%) и № 20 (25.7-63.6%) S. rosmarinifolia, № 16 S. dasyclados (35.670.0%), № 31 S. fragilis (0.7-72.5%), № 30 S. alba (17.6-42.3%). Относительно стабильной в разные годы наблюдений была семенная продуктивность в популяциях № 6 S. triandra (85.2-92.8%), № 10 S. rosmarinifolia (49.1-56.4%), Ks 19 S. fragilis (49.1-62.7%), № 27 5. caspica (37.0-42.2%).

Подобная же картина выявлена и в отношении межпопуляционной изменчивости у видов рода Salix в одни и те же годы наблюдения. Например, в

2013 г. у растений S. acutifolia в популяции № 1 семенная продуктивность при свободном цветении отмечена на уровне 65.2%, в популяции № 8 - 0.0%, в популяции № 12 - 64.2% (табл. 1).

В условиях беспыльцевого режима семена завязались у растений 15 популяций 7 видов рода (S. acutifolia, S. cinerea, S. fragilis, S. caspica, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia) и одной популяции межвидового гибрида S. viminalis х S. cinerea (табл. 1). При этом также имела место существенная внутри- и межпопуляционная изменчивость. Так в популяции № 8 S. acutifolia в 2012 г. семенная продуктивность при беспыльцевом режиме отмечена на уровне около 45% , а в остальные годы наблюдений - равнялась 0%. Интересно, что в 2012 г. у растений всех 7 указанных видов доля апомиктов в потомстве существенно возрастала (табл. 1; рис. 2). Более 10% она была в этот год у растений видов S. acutifolia, S. cinerea, S. rosmarinifolia, S. fragilis, S. caspica (максимальной в популяции № 8 S. acutifolia - 43.96%).

Очевидно, что у растений Salix в Саратовской области именно погодные условия апреля являются определяющими для инициации к развитию по пути мегагаметофитогенеза клеток нуцеллуса и для активации яйцеклетки к партено-генетическому развитию, так как именно в этот период у них происходит развитие цветка и формирование его основных структур, мегаспоро- и мегагаме-тофитогенез, а также ранний эмбрио- и эндоспермогенез. Погодные условия апреля 2010 и 2011 гг. были близкими и отличались от среднемноголетних в основном существенным дефицитом атмосферных осадков (особенно апрель 2010 г. - 37% от среднемноголетней нормы). Весна 2012 г. была поздней, при этом апрель отличался экстремально высокими температурами (7°С выше сред-

8

Таблица 1

Семенная продуктивность исследованных видов рода Salix Саратовской области

№ Год ис- Частота завязываемости семян, % Частота

попу- Название вида следо- при свободном при беспыльцевом апомиксиса,

ляции вания цветении режиме цветения %

1 S. acutifolia Willd. 2010 55.61±4.93 7.15±1.64 12.86

2013 65.19±5.56 0.39±0.15 0.60

8 S. acutifolia Willd. 2010 - 0 0

2011 26.74±7.20 0 0

2012 86.01±3.48 43.96±7.12 51.11

2013 0 0 0

12 S. acutifolia Willd. 2011 70.30±2.96 0 0

2012 86.27±1.59 9.57±3.18 11.09

2013 64.23±5.21 0.76±0.20 1.18

2 S. caprea L. 2010 82.70±3.55 0 0

17 S. caprea L. 2011 6.62±2.59 0 0

2012 43.13±4.55 0 0

2013 36.05±5.16 0 0

4 S. cinerea L. 2010 - 0 0

2011 - 0 0

2012 46.29*5.98 16.52±4.46 35.69

2013 48.59±2.11 0.18±0.05 0.37

5 S. vinogradovii 2010 69.18±3.23 0 0

A. Skvorts 2011 60.49*6.54 0.67±0.27 1.11

2012 45.97±7.24 7.94±2.26 17.27

2013 19.09±2.76 0 0

6 S. triandra L. 2010 - 0

2011 92.83±3.79 1.24±0.41 1.34

2012 85.16±4.50 9.95±2.62 11.68

2013

28 S. triandra L. 2012 85.65±5.73 0 0

2013 11.32±2.78 0 0

9 S. rosmarinifolia L. 2010 - 0

2012 75.17±2.64 6.82±2.75 9.07

2013 0 0 0

10 S. rosmarinifolia L. 2010 56.41±6.29 4.05±1.12 7.16

2011 53.25±5.32 0.64*0.38 1.20

2013 49.05Ü.85 4.89±1.51 9.97

20 5. rosmarinifolia L. 2011 63.58±4.69 1.90*1.45 2.99

2012 34.52±7.10 13.61*5.21 32.43

2013 25.67±3.91 0 0

16 S. dasyclados Wimm. 2011 35.61±7.10 0 0

2012 69.85±3.34 0 0

19 S.fragilis L. 2011 62.74±5.30 0 0

2012 54.68±6.16 10.67*3.31 19.51

2013 49.06±3.35 0 0

31 S. fiagilis L. 2012 0.67±0.34 0 0

2013 72.54±3.74 0 0

27 S. caspica Pall. 2012 36.98±6.59 28.12*6.51 76.02

2013 42.23±1.14 4.74*1.23 11.22

30 S. alba L. 2012 17.60±5.68 0 0

2013 42.29±3.04 0 0

33 S. viminalis x cinerea 2013 40.68±1.82 1.18*0.5 2.90

2010 2011 2012 2013

Годы исследования

Рисунок 2. Средние значения семенной продуктивности видов рода Salix при двух режимах цветения в различные годы исследования.

■ - свободное цветение; □- беспыльцевой режим цветения

немноголетней нормы) и большим количеством осадков (217% от среднемно-голетней нормы). Весна 2013 г. была также поздней, в апреле среднемесячные температуры были на 3°С выше среднемноголетней нормы, но количество осадков составляло 84% от нормы (рис. 1). Проведенный по данным всех лет наблюдения корреляционный анализ позволил конкретизировать характер зависимости частоты апомиксиса в популяциях различных видов Salix от погодных условий апреля. Он показал, что между частотой апомиксиса в популяциях видов Salix и среднемесячной температурой апреля имеет место корреляция средней силы (г = 0.43) (рис. 3), в то время как между частотой апомиксиса в них и количеством осадков в апреле корреляция отсутствует (г = -0.09)

Из этого следует, что именно экстремально высокие температуры в период развития цветков, цветения и начальных стадий формирования семян у растений S. acutifolia, S. cinerea, S. vinogradovii, S. triandra, S. rosmarinifolia способствовали более полной реализации потенциала образования семян путем апомиксиса, в то время как оптимальные температуры приводили к доминированию амфимиктичного способа воспроизводства.

В случаях не формирования семян при беспыльцевом режиме цветения в соцветиях либо развитие останавливалось на стадии зрелых цветков (S. caspica, S. alba, S.fragilis, S. triandra), либо происходило формирование партенокарпи-ческих плодов (5. acutifolia, S. caprea, S. cinerea, S. rosmarinifolia, S. vinogradovii, S. dasyclados).

Ни в одной из двух популяций S. caprea и в популяции S. dasyclados за весь период исследования не имела место завязываемость семян при беспыльцевом режиме цветения, что указывает на их облигатную амфимиктичность или на неспособность к автономному апомиксису.

Результаты цитоэмбриологического изучения структуры мегагамето-фита и прилегающих областей семязачатка в целом подтвердили склонность к гаметофитному апомиксису растений видов Salix, у которых она была выявлена при изучении семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения.

♦ * +

-. w »Itw <».-—«-

5 10

Среднемесячная температура апреля, °C

о

10

15

Рисунок 3. Корреляционная решетка зависимости частоты апомиксиса в популяциях видов Salix от среднемесячной температуры апреля

Во всех исследованных популяциях в семязачатках растений наблюдалось формирование эуспорического мегагаметофита по Polygonum-типу. При этом материнская клетка мегаспор претерпевала два последовательных деления мейоза с образованием тетрады мегаспор (в большинстве случаев линейной, но изредка наблюдалось Т-образное или тетраэдальное расположение клеток тетрады). В зародышевый мешок обычно развивалась халазальная мегаспора, хотя имели место и исключения. Всегда на базе одной тетрады мегаспор развивался только один зародышевый мешок. При этом остальные клетки тетрады дегенерировали. Ядро халазальной мегаспоры делилось митотически на два дочерних. Эти ядра расходились к противоположным полюсам, а в центральной части клетки образовывалась вакуоль. Ядра двухъядерного зародышевого мешка еще раз синхронно делились. 4-ядерный зародышевый мешок имел вытянутую форму, был очень узким, в своей средней части напоминая тяж; а в микропи-лярном районе выступал из нуцеллуса. Конфигурация ядер была также нетипичной: два ядра у микропиле располагались поперек продольной оси, а на ха-лазальном полюсе - вдоль продольной оси зародышевого мешка. Из него путем митотического деления каждого из ядер и последующей дифференциации формировался восьмиядерный семиклеточный зародышевый мешок. Зрелый мега-гаметофит имел овально-вытянутую или веретеновидную форму, в микропи-лярном районе также выступал из нуцеллуса и соприкасался с клетками инте-гумента. Антиподы были в количестве трех, небольшого размера, эфемерны, на поздних стадиях формирования мегагаметофита дегенерировали.

К числу цитоэмбриологических признаков гаметофитного апомиксиса относили присутствие в семязачатке рядом с тетрадой мегаспор или эуспориче-скими зародышевыми мешками апоспорических инициальных клеток, преждевременную эмбрионию и/или развитие эндосперма без оплодотворения. Апос-

п

порические инициала формировались чаще всего ближе к антиподальной части эуспорического зародышевого мешка, хотя наблюдались случаи нахождения этих клеток и в глубинных слоях нуцеллуса, а также вблизи центральной или микропилярной части мегагаметофита. Они имели размеры, в десятки раз превышающие размеры соматических клеток семязачатка, содержали крупное, хорошо окрашивающееся ядро с одним ядрышком (рис. 4, 5.1). Редко в одном семязачатке отмечались не одна, а две-три таких клетки.

Апоспорические инициали отмечены в семязачатках на разных стадиях развития эуспорического зародышевого мешка, либо при наличии остатков дегенерирующего эуспорического мегагаметофита (рис. 5). Самое раннее обнаружение таких клеток имело место на стадии тетрады мегаспор (рис. 4.1). Однако они обнаруживались и на всех стадиях развития мегагаметофита эуспори-ческой природы - 1-, 2-, 4-, 8 -ядерного (рис. 4.2) или нормально развитого зрелого зародышевого мешка. При этом апоспорические инициали, были одноядерные. Реже наблюдали 1-2-ядерные апоспорические мегагаметофиты в присутствии дегенерировавшего эуспорического зародышевого мешка (рис. 5).

Известно, что большая часть формирующихся апоспорических инициальных клеток гибнет, не развиваясь в мегагаметофиты (Наумова, 2000; Grant, 1981; Nogler, 1984). Поэтому на основе результатов только цитоэмбриологиче-ских исследований нет достаточных оснований однозначно утверждать, что из апоспорических инициалей в дальнейшем формируются функционально способные апоспоровые зародышевые мешки. Однако, учитывая факт их формирования исключительно в семязачатках растений тех видов, у которых завязывались семена при беспыльцевом режиме цветения, и тенденцию к последующе-

Рисунок 4. Семязачатки Salix о апоспорическими инициалами в присутствии тетрады мегаспор или мегагаметофита ранней стадии развития: I - тетрада мегаспор и апоспориче-ская инициаль (S. acutifolia); 2 - четырехъядерный зародышевый мешок и апоспорическая инициаль (S. rosmarinifolia).

зм - зародышевый мешок, аи апоспорическая инициаль, тетр - тетрада мегаспор

Рисунок 5. Семязачатки Salix с дегенерировавшими эуспоричеосими зародышевыми мешками: 1 - в присутствии апоспорических инициален (5. саргеа); 2- в присутствии двухъ-ядерного апоспорического зародышевого мешка (S. caspicä).

дзм - дегенерирующий зародышевый мешок, аи - алоспорическая ннициаль, азм -алоспорический зародышевый мешок

му развитию с формированием апоспорических мегагаметофитов, при условии, что на последующих стадиях продукты их развития морфологически не отличаются от соответствующих эуспорических образований, есть все основания считать их надежными маркерными признаками гаметофитного апомиксиса cmOCnCpGBGri npjrIj^/ОДЫ у исследуемых видев.

Из 9665 шт. проанализированных у растений всех исследованных популяций семязачатков основная масса мегагаметофитов в них (94.03%) была нормального строения и морфологически соответствовала Polygonum-типу, хотя их доля варьировала по популяциям в диапазоне 58-100% (табл. 2).

Дегенерировавшие мегагаметофиты в семязачатках растений исследованных видов в среднем по каждой популяции составили немногим более 1%, т.е. их дегенерация вряд ли была связана с воздействием внешней среды. Имело место два исключения. В популяции S. alba доля дегенерировавших мегагаметофитов составила 11.11%. Относительно высокой была доля дегенерировавших зародышевых мешков и в популяции № 1 S. acutifolia в 2010 г. (7.83%) при том, что в остальные годы наблюдений в этой популяции она была почти в три раза более низкой или равнялась 0 (табл. 2). На возможную причину относительно высокой доли дегенерировавших мегагаметофитов в данной популяции в 2010 г. указывает тот факт, что именно в этой популяции в семязачатках растений обнаружены с высокой частотой цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса (более 30%). При этом более чем в 5% случаев апоспо-рические инициальные клетки в семязачатках отмечены в присутствии дегенерировавших на зрелой стадии эуспорических зародышевых мешков. Это косвенно указывает на то, что процессы дегенерации эуспорических мегагаметофитов в семязачатках растений связаны с конкурентными отношениями

Таблица 2

Результаты цитоэмбриологического изучения растений из популяций видов Salix Саратовской области

№ популяции Название вида Год исследования ЗМ нормального строения, % Дегенерировавшие ЗМ, % Частота обнаружения признаков гаметофитного апомиксиса, %

развитие без оплодотворения апоспорические инициала дегенерировавшие эуспорические ЗМ и апоспорические инициали всего

проэмбрио эндосперма обеих структур

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 S. acutifolia 2010 58.72il.72 7.83І0.95 6.05І0.80 1.78і0.28 3.9Ü0.98 16.37i2.10 5.34Ü.22 33.45

12 S. acutifolia 2011 94.28±2.29 0.0 0.0 0.0 0.0 5.72Ü.29 0.0 5.72

2012 92.14i2.04 2.96І0.67 0.0 0.0 0.0 l-76i0.ll 2.22І0.10 5.36

8 S. acutifolia 2010 93.56±1.22 0.22І0.02 0.22І0.02 0.0 0.0 4.47І0.83 1.75І0.10 6.44

2011 95.94±1.25 0.0 0.0 0.0 0.0 4.06Ü.25 0.0 4.06

2012 98.88±0.7б 0.0 0.0 0.0 0.0 1.11±0.08 0.0 1.11

23 S. acutifolia 2012 94.64i2.01 3.56І0.19 0.0 0.0 0.0 1.80i0.08 0.0 1.80

2 S. caprea 2010 86.22i2.21 1.97І0.10 0.0 0.0 0.0 7.48Ü.40 4.32±1.11 11.80

17 S. caprea 2011 91.66±1.33 3.77±1.02 0.0 0.0 0.0 5.34Ü.75 0.46І0.03 5.80

2012 91.35il.61 2.16І0.09 0.0 0.0 0.0 4.87Ü.07 1.62І0.06 6.49

4 S. cinerea 2010 98.56i0.73 0.28i0.03 0.0 0.0 0.28і0.03 0.89±0.05 0.0 1.17

2011 95.83±1.08 0.0 0.0 0.0 0.0 4.17±1.08 0.0 4.17

2012 99.00i0.56 0.0 0.0 0.0 0.0 І.ООіО.Об 0.0 1.00

5 S. vinogradovii 2010 86.21il.81 0.35І0.04 2.19І0.08 0.0 0.0 10.43il.49 1.00І0.09 13.62

2011 97.39il.27 0.5ІІ0.05 0.0 0.0 0.0 2.1ІІ0.21 0.0 2.11

2012 91.56i2.10 1.13І0.08 3.30І0.48 0.0 2.5І0.25 1.0І0.09 0.0 6.80

6 S. triandra 2010 95.23i0.97 0.0 0.36і0.03 0.0 0.0 4.4Ü0.97 0.0 4,77

2011 97.00il.05 0.0 0.0 0.0 0.0 3.00і0.50 0.0 3.00

2012 1 96.00±1.34 1.5І0.08 0.0 0.0 0.0 2.50і0.10 0.0 2.50

Таблица 2 (окончание)

1 . 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

28 S. triandra 2012 98.00±0.92 0.0 0.0 0.0 0.0 2.00±0.92 0.0 2.00

10 S. rosmarinifolia 2010 93.48±2.23 0.0 0.0 0.0 0.0 6.09±0.60 0.43±0.04 6.52

2011 94.21 ±2.21 1.58±0.15 0.0 0.0 0.0 4.21±0.39 0.0 4.21

9 S. rosmarinifolia 2010 91.68±2.07 0.95±0.09 0.0 0.0 0.0 7.37±2.02 0.0 7.37

2012 96.25±2.31 0.0 0.50±0.05 0.0 0.0 1.00±0.06 0.0 1.50

20 S. rosmarinifolia 2011 95.99±1.20 0.0 0.0 0.0 0.0 4.01±1.20 0.0 4.01

2012 99.33±0.66 0.0 0.66±0.07 0.0 0.0 0.0 0.0 0.66

16 S. dasyclados 2011 99.64±0.36 0.0 0.0 0.0 0.0 0.36±0.36 0.0 0.36

2012 100.0±0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

19 S. fragilis 2011 97.02±0.74 0.0 0.0 0.0 0.0 2.98±0.74 0.0 2.98

2012 100.0*0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

31 S. fragilis 2012 100.0±0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

27 S. caspica 2012 94.38±1.38 0.0 0.0 0.0 0.0 3.13±0.11 2.50±0.12 5.63

30 S. alba 2012 88.88±3.12 11.11*3.12 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

1 ' И^ИИЩИЩИРДНЯ! ^

Рисунок 6. Развитие проэмбрио или эндосперма без оплодотворения: 1 - зародышевый мешок с партеногенетическим проэмбрио и ядрами эндосперма (S. vinogradovii)-, 2 - зародышевый мешок с партеногенетическим проэмбрио и интактной центральной клеткой (S. acutifolia).

с развивающимися апоспорическими инициалями.

Несмотря на достаточно большой процент проанализированных семязачатков, содержащих мегаспоры, ни в одном из них не отмечено признаков дип-лоспории, связанных с нарушениями в течение мейоза, формированием вместо тетрады диады или триады мегаспор. Признаки адвентивной эмбрионии также не обнаружены. Таким образом, исследованным видам Salix свойственен гаме-тофитный апомиксис, одним из элементов которого является апоспория.

Максимальная частота встречаемости апоспорических инициалей отмечена в 2010 г. в популяциях № 1 S. acutifolia (21.71%), № 2 S. caprea (11.80%) и № 5 S. vinogradovii (11.43%). В части семязачатков эти клетки обнаружены в присутствии дегенерирующих эуспорических мегагаметофитов.

Реже в анализируемых семязачатках обнаруживались такие цитоэмбрио-логические признаки гаметофитного апомиксиса, как преждевременная эм-бриония и развитие эндосперма без оплодотворения (табл. 2; рис. 6). Максимальная доля развития проэмбрио без оплодотворения в семязачатках достигала 6.05% в популяции № 1 S. acutifolia в 2010 г. Кроме того, развитие яйцеклетки без оплодотворения отмечено у растений популяции № 5 S. vinogradovii в 2010 (2.19%) и 2012 (3.30%) гг. Преждевременная эмбриония в семязачатках других видов не обнаружена или встречалась с чрезвычайно низкой частотой. Развитие эндосперма без оплодотворения с частотой менее 2% отмечено только в популяции № 1 S. acutifolia в 2010 г. Развитие обеих структур (проэмбрио и эндосперма) без оплодотворения отмечено в популяциях № 1 S. acutifolia в 2010 г. и № 5 S. vinogradovii в 2012 г. (около 4% и 2.5% соответственно), а также в популяции № 4 S. cinerea в 2010 г. Низкая частота обнаружения признаков апо-зиготии в исследованном материале может быть объяснена тем, что этот при-

16

знак гаметофитного апомиксиса у растений методически трудно диагностировать. Активация яйцеклетки к партеногенстическому развитию или начальные стадии развития эндосперма без оплодотворения происходят на поздних стадиях развития цветка и в силу специфики фиксации материала для цитоэмбриоло-гического анализа - до начала цветения - лишь в редких случаях семязачатки, содержащие подобные структуры, оказываются в фиксированном материале.

Максимальная частота встречаемости цитоэмбриологических признаков апомиксиса отмечена в популяции № 1 S. acutifolia (33.45%) в 2010 г. У растений других исследованных популяций S. acutifolia также обнаружены цитоэм-бриологические признаки гаметофитного апомиксиса. Исходя из этого и с учетом частоты завязываемости семян при беспыльцевом режиме цветения, вид следует отнести к факультативно апомиктичным. Растения этого вида способны к автономному апомиктичному воспроизводству при формировании апоспори-ческих мегагаметофитов и партеногенетических зародышей.

Как уже отмечалось выше, в 2010 и 2011 гг. у растений S. acutifolia частота апомиксиса, выявленная по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения, была существенно ниже, чем частота обнаружения цитоэмбриологических признаков апомиксиса, в то время как в 2012 г. это соотношение было обратным. Мы полагаем, что это связано с особенностями погодных условий в годы наблюдений. Наблюдавшиеся в 2012 г. экстремально высокие температуры в период развития цветков, цветения и формирования семян провоцировали более полную реализацию потенциала формирования семян путем апомиксиса у растений вида, в то время как в основном соответствующие сред-немноголетним нормам температуры в апреле 2010 и 2011 гг. способствовали доминированию амфимиктичного способа воспроизводства с элиминированием апоспорических инициалей и развитием зародыша и эндосперма на базе элементов эуспорических мегагаметофитов.

Выводы, сделанные выше для растений популяций S. acutifolia, справедливы и в отношении S. cinerea, S. fragilis, S. caspica, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia, у которых обнаружены цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса и выявлена способность формировать семена в условиях беспыльцевого режима.

У растений в популяциях S. саргеа семенная продуктивность при беспыльцевом режиме цветения была равна 0, в то время как при цитоэмбриологи-ческом контроле в семязачатках стабильно с частотой 5.8 - 11.8% обнаруживались клетки, подобные апоспоровым инициалям. У растений данного вида либо апоспорические инициали не развиваются в апоспорические мегагаметофиты, либо виду свойственен псевдогамный апомиксис.

Для S. dasyclados и S. alba отмечена нулевая или близкая к 0 частота цитоэмбриологических признаков апомиксиса и нулевая частота завязываемости апомиктичных семян. Это указывает на то, что растения данных видов не воспроизводятся путем гаметофитного апомиксиса.

Способность к прорастанию семян некоторых видов рода Salix. Показано, что при оптимальных условиях проращивания семена, завязавшиеся при свободном опылении, характеризуются всхожестью, близкой к всхожести се-

17

мян, завязавшихся апомиктично (90-100%, против 73-100%) (табл. 3). Таким образом, абсолютное большинство семян видов Salix, завязавшихся как амфи-, так и апомиктичным путем, имеют способность к прорастанию, т.е. содержат жизнеспособные зародыши.

Видовой состав рода Salix L. на антропогенных местообитаниях Саратовской области в связи со склонностью к апомнксису. В последние столетия территория области подвергалась интенсивному и многофакторному антропогенному воздействию. В этих условиях на первый план выходит задача выяснения степени толерантности видов к антропогенному воздействию и способности его произрастать на таких местообитаниях (Березуцкий и др., 2012).

В антропогенных биотопах встречаются 9 (табл. 4) из 12 основных видов Salix, произрастающих в Саратовской области. При этом 8 видов встречаются на техногенных местообитаниях, 2 вида отмечены в искусственных лесных насаждениях, 6 видов - в пригородной зоне прудов и 1 - в городской (селитебной) зоне. В отличие от кустарниковых форм, все древесные виды рода, произрастающие в Саратовской области, встречаются в антропогенных биотопах.

Среди исследованных видов обнаружена слабая корреляция между встречаемостью на антропогенных местообитаниях и способностью к гаметофигно-му апомиксису (табл. 4). Растения двух видов, проявляющие способность к га-метофитному апомиксису, не отмечены на антропогенных территориях

Таблица 3

Прорастание семян некоторых видов Salix, завязавшихся при различных режимах

_ цветения__

Название вида и № популяции Всхожесть семян, завязавшихся в условиях, %

свободного опыления беспыльцевого режима цветения

S. acutifolia (1) 90.0 85.0

S. acutifolia (12) 100.0 90.0

S. cinerea (4) 100.0 100.0

S. rosmarinifolia (10) 93.33 73.33

S. viminalisxS. cinerea (33) 96.67 83.33

Таблица 4

Встречаемость растений видов рода Salix на антропогенных местообитаниях в связи

№ п/п Вид рода Salix Встречаемость на антропогенных местообитаниях Способность к апомиктичному воспроизводству

1 S. acutifolia + +

2 S. caprea + ?

3 S. cinerea + +

4 S. vinogradovii + +

5 S. triandra + +

6 S. rosmarinifolia - +

7 S. dasyclados + -

8 S. fragilis + +

9 S. caspica - +

10 S. alba + -

S. rosmarinifolia, S. caspica), в то время как растения двух ви-дов, встречающихся на антропогенных территориях (S. dasyclados, S. alba), не проявляли способности к гаметофитному апомиксису.

ВЫВОДЫ

1. В период с 2010 по 2013 гг. в популяциях видов Salix в среднем имело место снижение семенной продуктивности при свободном цветении с 70% до 40%. При этом наблюдалась существенная меж- и внутрипопуляционная изменчивость данного параметра (в диапазоне от 0 до 93%).

2. В условиях беспыльцевого режима цветения семена завязались у растений 15 популяций 7 видов рода (S. acutifolia, S. cinerea, S.fragilis, S. caspica, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia) и одной популяции межвидового гибрида S. viminalis х S. cinerea. В популяциях всех этих видов в 2012 г. по сравнению с остальными 3-мя годами наблюдений доля апомиктов в потомстве существенно возросла.

3. В случаях не формирования семян при беспыльцевом режиме цветения в соцветиях либо развитие останавливалось на стадии зрелых цветков (S. caspica, S. alba, S.fragilis, S. triandra), либо происходило формирование партено-карпических плодов (S. acutifolia, S. caprea, S. cinerea, S. rosmarinifolia, S. vinogradovii, iS. dasyclados). Однако явной корреляции между способностью к гаметофитному апомиксису и партенокарпией не обнаружено.

4. Результаты цитоэмбриологического изучения структуры мегагаметофита и прилегающих областей семязачатка подтвердили способность к гаметофитному апомиксису у S. acutifolia, S. cinerea, S. fragilis, S. caspica, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia, S. viminalis * S. cinerea. Для данных видов и межвидового гибрида гаметофитный апомиксис отмечен впервые.

5. S. acutifolia, S. cinerea, S. fragilis, S. caspica, S. triandra, S. vinogradovii, S. rosmarinifolia свойственен автономный факультативный гаметофитный апомиксис, одним из элементов которого является апоспория, а вторым - апозиго-тия. Признаков диплоспорического формирования мегагаметофитов и адвентивной эмбрионии не отмечено.

6. В популяциях S. caprea семенная продуктивность при беспыльцевом режиме цветения была равна 0, в то время как при цитоэмбриологическом контроле в семязачатках стабильно с частотой 5.8 — 11.8% обнаруживались апос-порические инициали. У растений данного вида либо апоспорические инициали останавливаются в развитии, либо им свойственен исевдогамный апомиксис. У них отсутствует способность к автономному апомиксису.

7. Установлено, что растения видов S. alba и S. dasyclados облигатно ам-фимиктичны.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

* - публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных для опубликования основных научных результатов диссертаций

1. Уголышкова Е.В., Кашин A.C. Исследование частоты апомиксиса у Salix acutifolia Willd. //Бюл. ботанич. сада. - СГУ, 2010. - Вып. 9. - С. 181-185.

19

2. Угольникова Е.В. Новые местонахождения охраняемых видов рода ива (Salix L.) на территории Саратовской области // Бюл. ботанич, сада. - СГУ, 2010. - Вып. 9. - С. 30-31.

3. *Угольникова Е.В., Кашин A.C. Особенности семенного размножения видов рода Salix Саратовской области // Известия Саратовского университета. Новая серия. - 2012. 1. - С.82-87.

4. Угольникова Е.В. К изучению распространения ивы шерстистопобеговой (Salix da-syclados Wimm.) на территории Саратовской области // Научные труды Национального парка «Хвалынский». - Саратов-Хвалынск: ООО Издательский центр «Наука», 2011. - Вып. 3. - С. 91-93.

5. Угольникова Е.В. Особенности семенного размножения некоторых видов семейства Salicaceae // Бюл. ботанич. сада. - СГУ, 2012. - Вып. 10. - С. 197-203.

6. Угольникова Е.В., Кашин A.C. Распространение гаметофитного апомиксиса у представителей рода Salix L. в Саратовской области // Досягнешм i проблеми генетики, селекцп та бютсхнологп: зб. наук. пр. - К.: Логос, 2012. - С. 181-185.

7. Угольникова Е.В., Кашин A.C. Особенности биологии размножения видов рода Salix L. в Саратовской области // Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии: Сборник науч. статей по материалам XI Междунар. научно-пракгич. конференции (28-31 авг. 2012 г., Барнаул).- Барнаул: Изд-во Жерносенко С.С., 2012. - С. 194-199.

8. Угольннкова Е.В., Кашин A.C. Исследование частоты апомиксиса у представителей рода ива (Salix L.) Саратовской области // Тезисы докладов И (X) Междунар. ботан. конф. молодых ученых в Санкт-Петербурге, 11-16 ноября 2012 г. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭ-ТИ», 2012. - С. 80-81.

9. Угольникова Е.В. Апомиксис в роде ива (Salix L.) // Эмбриология, генетика и биотехнология: материалы IV Междунар. школы для молодых ученых «Эмбриология, генетика и биотехнология» (3-9 дек. 2012 г.). - Пермь; Ижевск: ИП Пермяков СЛ., 2012. - С. 121-126.

10. Угольникова Е.В. Способы семенного воспроизводства видов р. Salix L. Саратовской области // Сборник докладов Междунар. научно-практич. конф. молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летшо Г.К. Мейстера «Инновационное развитие АПК в России» (12-13 марта 2013). - Саратов, 2013. - С. 405-409.

11. *Уголышкова Е.В., Кашин A.C. Особенности репродуктивной биологии видов Salix L. (Salicaceae) в Саратовской области // Бот. журн., 2013. - Т. 98, № 6. - С. 723-733.

12. *Угольникова Е.В., Березуцкий М.А., Кашин A.C. Видовой состав рода Salix L. на антропогенных местообитаниях Саратовской области // Известия Саратовского университета. Новая серия. - 2013. - № 2. - С. 85 - 88.

13. Угольникова Е.В. Апоспория у видов рода Salix L. (Salicaceae) Саратовской области // Матер. XX Мевдунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (8-14 апреля 2013 г.). - Москва, 2013. - С. 70-71.

14. Угольникова Е.В. Апомиктичный способ репродукции у ив // Бюл. ботанич. сада. -СГУ,2013. -Выл. 11.-С. 192-201.

15. Угольникова Е.В., Кашин A.C. Гаметофитный апомиксис у видов рода Salix L. // Современная ботаника в России: Труды XIII съезда РБО и конф. «Научные основы охраны и рационального использования растительного покрова Волжского бассейна», г. Тольятти, 1622 сеет. 2013 г. Т. 1: Эмбриология. Структурная ботаника. Альгология. Микология. Лихенология. Бриология. Палеоботаника. Биосисгематика. - Тольятти: Кассандра, 2013. - С. 27-28.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Подписано в печать 13.11.2013. Гарнитура Times. Печать Riso. _Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 0443_

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии

ИП «Экспресс тиражирование» 410005, Саратов, Пугачёвская, 161, офис 320 Я 27-26-93

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Угольникова, Екатерина Владимировна, Саратов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»

ОСОБЕННОСТИ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ ВИДОВ РОДА SALIX Ь.

САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

03.02.01 - ботаника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Кашин Александр Степанович

На правах рукописи

04201452294

УГОЛЬНИКОВА Екатерина Владимировна

Саратов-2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

1 ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ СЕМЕННОЙ РЕПРОДУКЦИИ У ЦВЕТКОВЫХ (обзор литературы)................................................ 12

1.1 Способы семенного воспроизводства у цветковых.......................... 12

1.2 Преимущества и недостатки амфи- и апомиктичного способов семенного воспроизводства.......................................................13

1.3 Степень изученности цветковых в отношении способа

семенного воспроизводства...................................................... 16

1.4 Терминология и классификация апомиксиса.................................18

1.5 Закономерности распространения апомиксиса у покрытосеменных...................................................................20

1.5.1 Степень распространения апомиксиса у цветковых...................21

1.5.2 Характер распространения апомиксиса у цветковых.................24

1.6 Распространение апомиксиса в основных семействах

цветковых растений.................................................................27

1.6.1 Цитоэмбриологическое изучение представителей

семейства Salicaceae..........................................................29

1.6.2 Особенности системы семенного размножения у видов Salix...... 31

1.6.2.1 Степень изученности апомиксиса у видов Salix............. 33

1.6.2.2 Партенокарпия у видов Salix....................................34

2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ.........................................................36

2.1 Материал..............................................................................36

2.1.1 Ботаническая характеристика исследованных видов

рода Salix L....................................................................36

2.2 Методы исследования...............................................................43

2.2.1 Сбор материала для цитоэмбриологических исследований ........ 43

2.2.2 Метод приготовления препаратов просветленных семязачатков..................................................................44

2.2.3 Метод исследования семенной продуктивности при различных режимах цветения.............................................45

2.2.4 Методика определения частоты партенокарпического образования плодов..........................................................47

2.2.5 Анализ структуры женского гаметофита...............................48

2.2.6 Методика проращивания семян...........................................49

2.2.7 Погодные условия в годы исследования...............................50

3 ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ СЕМЕННОЙ РЕПРОДУКЦИИ У ВИДОВ РОДА SALIXL. САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ........................55

3.1 Развитие эуспорического мегагаметофита Polygonum-типа...............55

3.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений видов Salix L..............................................................59

3.3 Особенности семенного размножения S. acutifolia..........................63

3.3.1 Семенная продуктивность в популяциях S. acutifolia

при различных режимах цветения........................................63

3.3.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. acutifolia.......................................64

3.4 Особенности семенного размножения S. саргеа...............................71

3.4.1 Семенная продуктивность в популяциях S. саргеа при различных режимах цветения..............................................71

3.4.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. саргеа..........................................72

3.5 Особенности семенного размножения S. cinerea.............................73

3.5.1 Семенная продуктивность в популяциях S. cinerea при различных режимах цветения..............................................73

3.5.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. cinerea..........................................74

3.6 Особенности семенного размножения S. vinogradovii.......................75

3.6.1 Семенная продуктивность в популяциях S. vinogradovii

при различных режимах цветения........................................75

3.6.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. vinogradovii...................................75

3.7 Особенности семенного размножения S. triandra............................77

3.7.1 Семенная продуктивность в популяциях S. triandra

при различных режимах цветения.........................................77

3.7.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. triandra........................................78

3.8 Особенности семенного размножения S. rosmarinifolia.....................79

3.8.1 Семенная продуктивность в популяциях S. rosmarinifolia

при различных режимах цветения........................................79

3.8.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. rosmarinifolia.................................80

3.9 Особенности семенного размножения S. dasyciados........................81

3.9.1 Семенная продуктивность в популяциях S. dasy ciados

при различных режимах цветения.........................................81

3.9.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. dasy ciados.....................................81

ЗЛО Особенности семенного размножения S.fragilis............................82

3.10.1 Семенная продуктивность в популяциях S.fragilis при различных режимах цветения.............................................. 82

3.10.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S.fragilis.........................................83

3.11 Особенности семенного размножения S. alba................................83

3.11.1 Семенная продуктивность в популяциях S. alba

при различных режимах цветения.......................................83

3.11.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного апомиксиса у растений S. alba.............................................84

3.12 Особенности семенного размножения S. caspica.........................84

3.12.1 Семенная продуктивность в популяциях S. caspica

при различных режимах цветения.......................................84

3.12.2 Цитоэмбриологические признаки гаметофитного

апомиксиса у растений S. caspica........................................85

3.13 Особенности семенного размножения S. viminalis XS. cinerea..........85

3.13.1 Семенная продуктивность в популяциях S. viminalis х

S. cinerea при различных режимах цветения.........................85

3.14 Способность к прорастанию семян некоторых видов рода

Salix, сформировавшихся при различных режимах цветения............86

3.15 Способность к партенокарпическому образованию плодов

у видов рода Salix.................................................................87

3.16 Видовой состав рода Salix L. на антропогенных местообитаниях Саратовской области в связи со склонностью

к апомиксису.......................................................................90

3.17 Апоспория у видов рода Salix..................................................94

3.17.1 Локализация апоспорических инициалей в семязачатках растений видов Salix........................................................95

3.17.2 Частота встречаемости апоспорических инициалей на

разных стадиях развития эуспорического мегагаметофита.........97

3.18 Обсуждение результатов........................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................112

ВЫВОДЫ.....................................................................................115

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ....................117

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................118

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА...................................139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Перспективы развития современного общества предусматривают интенсивное развитие биологической науки и практическое использование ее достижений. В частности, требуется разработка и внедрение новых высокоэффективных методов селекции (Петров, 1979, 1988; Savidan, 1995, 2000; Spillane et al., 2001; Albertini et al., 2010). Такими перспективными методами селекции являются индуцированный мутагенез и использование в селекции апомиксиса. Последний раскрывает возможности закрепления желательных признаков у высокогетерозисных форм, ценных отдаленных гибридов, мутантов, полностью сохраняя комплекс их хозяйственно-ценных свойств. Перевод перспективных гибридов на апомиксис позволяет решить проблему закрепления устойчивости новых форм, которые часто представляют собой сложные гибриды. На этой основе созданы сорта цитрусовых, манго, мятлика, клевера, которые обладают способностью к регулярному апомиксису (Навалихина, 1965; Мирошниченко, 1973; Мандрик, Ментковская, 1978; Carman, 2000).

Апомиксис - явление, при котором имеет место сочетание полового и неполовых способов образования семян (Поддубная-Арнольди, 1976; Шишкинская, Тырнов, 2000). В селекции практически ценен как регулярный, так и нерегулярный апомиксис. Все это делает необходимым всестороннее теоретическое изучение сложного явления апомиксиса как в плане причин его возникновения, особенностей и стабильности наследования элементов апомиксиса, так и в плане изменчивости частоты проявления признаков апомиксиса у растений в популяциях.

Исследование апомиксиса имеет почти 150-летнюю историю (Петров, 1979; Braun, 1857; Strasburger, 1878; Winkler, 1908; Schnarf, 1929; Gustafsson 1946, 1947; Koltunow et al., 1995; Vielle Calzada et al., 1996; Koltunow, 1998; Rodrigues et al., 2008; Rodrigues et al., 2012). Так как феномен апомиксиса относится к сфере семенного размножения растений и связан с

эмбриологической и кариологической изменчивостью, то явление это оказывается в центре эволюционных и генетических проблем, а также проблем систематики и таксономии. В настоящее время ведется интенсивное теоретическое и практическое изучение апомиксиса с точки зрения систематики, эмбриологии, цитогенетики, молекулярной и популяционной генетики (Шишкинская, Юдакова, 2009; Savidan, 2000; Richards, 2003; Eckardt, 2011; Koltunow et al., 2011).

Однако даже вопрос о широте и степени распространения этого явления у покрытосеменных растений до сих пор остается открытым (Кашин и др., 2009), несмотря на достаточно многочисленные попытки составить исчерпывающие списки апомиктичных видов, родов и семейств (Хохлов и др., 1978; Fryxell, 1957; Hanna, Bachaw, 1987; Asker, Jerling, 1992; Carman, 1995, 1997; Noyes, 2007). В списке Дж. Кармана (Carman, 1997) указано 406 апомиктичных видов 126 родов из 35 семейств. Очевидно, что этот список далек от исчерпывающего. Это красноречиво показывают результаты исследования видов семейства Asteraceae в пределах одной только Саратовской области, предпринятые в последние годы (Кочанова, 2008; Кашин и др., 2009). В ходе этих исследований апомиксис обнаружен у 18 видов и 7 родов, которые не отмечены в списке Дж. Кармана, что расширяет список апомиктичных родов апомиктов данного семейства на 25%, а список видов - более чем на 10%. Исходя из полученных результатов, в пределах только одного этого семейства потенциально можно ожидать наличие гаметофитного апомиксиса еще у 1000-1500 видов порядка 150 родов. (Кашин и др., 2009). Подтверждение этого прогноза на примере других семейств цветковых может принципиально изменить представления о широте распространения и роли апомиксиса в эволюции и адаптации растений, а также о возможностях использования его в прикладных аспектах.

В целом цветковые растения изучены в отношении способа семенного размножения явно недостаточно, поэтому любые исследования их системы семенного размножения заслуживают внимания. Не исключением являются и представители рода Salix (Salicaceae).

К числу признаков, косвенно указывающих на высокую вероятность апомиксиса у видов, относятся такие признаки, как широкие географические ареалы, космополитизм, сложная таксономическая дифференциация и внутривидовой полиморфизм, принадлежность к крупным семействам и родам (Хохлов, 1946, 1950, 1965). Представители рода Salix (Salicaceae) зачастую характеризуются именно этими признаками. Этот род - один из наиболее крупных во флоре Российской Федерации и самый крупный в нашей природной дендрофлоре (Скворцов, 1968). Виды рода имеют самые разнообразные ареалы: от циркумполярных или почти панбореальных - до узколокальных (Скворцов, 1960). Ивы широко распространены в лесной и лесостепной зонах, но особенно далеко заходят на север, в зону тундры и лесотундры, где они являются доминирующими растениями, а также поднимаются высоко в горы, в субальпийский и альпийский пояса, куда редко заходят другие древесно-кустарниковые породы (Валягина-Малютина, 2004). В большинстве районов России ивы играют заметную роль в сложении растительного покрова. В местах повышенного увлажнения, особенно по берегам водоемов и в речных долинах, ивы почти везде принадлежат к числу доминирующих, ландшафтных растений (Скворцов, 1968). Сама двудомность, свойственная ивам, также является признаком, косвенно указывающим на высокую вероятность апомиксиса у растений (Bicknell, Koltunow, 2004). Наличие полиплоидных рядов и высокие числа хромосом у представителей многих видов рода (от 19 до 190 хромосом) (Хромосомные..., 1969; Числа..., 1990; Wilkinson, 1944; Love, Love, 1961) и еще целый ряд особенностей этой группы также косвенно указывают на высокую вероятность широкого распространения в ней апомиксиса.

Широкая экологическая пластичность ив, большое разнообразие жизненных форм от стелющихся кустарничков до высоких деревьев, огромный внутривидовой полиморфизм, легкая скрещиваемость и способность к вегетативному размножению делают эту древесную породу очень перспективной и интересной для селекционно-генетической работы. В этом отношении использование апомиктичного способа воспроизводства позволило

бы решение у представителей рода Salix целого ряда прикладных проблем, связанных с получением и поддержанием в ряду поколений уникальных гибридных комбинаций, особо декоративных форм, ценных генотипов и т.п.

Однако целенаправленных исследований по выявлению апомиктичных форм среди видов Salix ранее фактически не проводилось. Работы, посвященные этому вопросу, относятся в основном к 30-60-м годам прошлого столетия (Федорова-Саркисова, 1931; Бекетовский, 1932; Ikeno, 1922; Blackburn, Harrison, 1924; Hakansson, 1956; Nagaraj, 1952; Tralav, 1957; Kopecky, 1960a,b), да и те в основном касаются не собственно видов этого рода, а других родов семейства, в частности рода Populus. При этом представления о степени распространения апомиксиса в роде Salix остаются крайне противоречивыми. Одни авторы считают, что у видов рода нередки случаи апомиксиса (Ikeno, 1922) при развитии зародыша или партеногенетически, или из клеток нуцеллуса (Сравнительная..., 1983). Другие отмечают на примере ряда видов Salix способность их к апогамии (Федорова-Саркисова, 1931), т.е. к развитию зародыша без оплодотворения не из яйцеклетки, а из других клеток мегагаметофита (синергид или антипод). В списке С.С. Хохлова с соавт. (1978) способность к автономному гаметофитному апомиксису (не носящая закономерного характера) указывается только для 4 видов (S. aurita, S. phylicifolia, S. purpurea, S. viminalis) и 7 типов межвидовых ив, а в списках апомиктичных видов, родов и семейств, составленных в последнее время, данный род вообще не приводится (Asker, Jerling, 1992; Carman, 1995, 1997).

Ивы как объекты исследования способности к апомиксису удобны тем, что, во-первых, им свойственна двудомность, при которой для обеспечения беспыльцевого режима женские цветки на «женских» деревьях не нуждаются в кастрации мужской сферы, а изолировать можно целые соцветия. Во-вторых, если им действительно свойственен автономный апомиксис, то частоту апомиксиса можно выявлять по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения без необходимости доопыления центральной клетки.

По вышеуказанным причинам выявление частоты встречаемости апомиктичных форм среди видов рода Salix представляется чрезвычайно актуальным.

Связь работы с научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках проектов РФФИ № 08-04-00319 «Сравнительное исследование стратегии и механизмов модификации систем семенного размножения факультативных апомиктов и их половых сородичей при освоении новых и нарушенных территорий», 00-04-49376 «Организация и проведение экспедиционных работ по выявлению апомиктичных форм в ряде семейств флор Краснодарского края, Астраханской, Волгоградской, Саратовской и Ростовской областей».

Цель исследования. Цель работы заключалась в выявлении способности к гаметофитному апомиксису у растений видов рода Salix во флоре Саратовской области по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения и цитоэмбриологическим особенностям развития женской генеративной сферы. Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Изучить семенную продуктивность растений видов Salix при различных режимах цветения (свободном опылении и беспыльцевом режиме);

2. Цитоэмбриологически исследовать структуру мегагаметофитов и семязачатков у растений видов Salix в отношении признаков апомиксиса.

3. Выявить способы семенного воспроизводства и особенности их реализации у растений различных видов Salix.

Научная новизна. Впервые с целью выявления апомиктичных форм проведено детальное исследование популяций 10 видов и 1 гибрида рода Salix, произрастающих на территории Саратовской области. Выявлена способность к гаметофитному апомиксису у 7 видов рода. У всех исследованных видов гаметофитный апомиксис установлен впервые. Показано, что у них имеет место существенная межвидовая, межпопуляционная и внутрипопуляционная

изменчивость частоты реализации апомиктичного способа воспроизводства и его цитоэмбриологических признаков.

Показано, что для выявления способности растений в популяциях различных видов Salix формировать семена апомиктичным путем необходимо неоднократное изучение данного параметра в популяциях, так как у них апомиксис �