Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Репродуктивная биология однолетних видов люцерны

ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Репродуктивная биология однолетних видов люцерны"

ггп

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СО

На правах рукописи

НОВОСЕЛОВА ЛАРИСА ВИКТОРОВНА РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ ОДНОЛЕТНИХ ВИДОВ ЛЮЦЕРНЫ

03.00.05 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Пермь - 1996

Работа выполнена на кафедре ботаники и генетики растений Пермского государственного университета.

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор В.А.Верещагина.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор Л.И.Орел, доктор сельскохозяйственных Наук, профессор А.Н.Папонов.

Ведущая организация: ВНИИ растениеводства им.НИ.Вавилова,

отдел кормовых культур.

Защита состоится 20 февраля 1996 года в 14 часов на заседании диссерт -ционного совета К 063.59.09 по специальности 03.00.05 - ботаника в зале заседаний Ученого совета в Пермском государственном университете по адресу: 614600, Пермь, ул. Букирева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан ¡¿¿¿¿¿¿Л*? 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.б.н., доцент НЛ.Колясникова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы.

Род МесПсаяо содержит 83 вида, из них 62 являются однолетниками. Наибольшее разнообразие однолетних люцерн сосредоточено в Среднеазиатском, Средиземноморском и Австралийском генцентрах, а также Крымском регионе Ев-ропейско-Сибирского центра. На территории в границах прежнего СССР насчитывается 19 однолетних видов рода Мейсайо. Однолетние виды люцерны отличаются высокой экологической пластичностью, они могут расти в трещинах скал, на маломощных почвах, на первичных продуктах выветривания горных пород, на обочинах дорог и опушках лесов, как сорняки среди культурных растений. В зависимости от условий местообитания они выступают либо как эдификаторы, либо как компоненты различных растительных группировок. В горных условиях люцерны являются эфемерами и характеризуются карликовым ростом и единичными цветками. При выращивании их на равнине, в поливных условиях, они приобретают крупные размеры, большую облиственность, дают высокие урожаи семян и зеленой массы. Однолетние люцерны имеют высокую кормовую ценность (зеленый корм, сено, пастбищное использование) и фитометиоративные свойства, перспективны для использования в качестве сидератов и мульчи, некоторые из них декоративны.

Особый интерес представляют однолетние виды МесШэдо для селекционно-генетических программ. Многие из них характеризуются ценными для селекции наследственными признаками: авгофертальностью и автотриппингом, устойчивостью к насекомым-вредителям, антракнозу, засолению. Поэтому в 1991 году Международный Совет по растительным генетическим ресурсам (1ВРС11), который координирует коллекционирование, сохранение, документирование, оценку и использование растительной геношгазмы, выпустил пособие для центров генетических ресурсов "Однолетние Мес1к^о".

Исследования различных аспектов репродуктивной сферы однолетних МесИсаяо единичны. Большие трудности для изучений создает сложность определения некоторых видов однолетних МесНса§о и путаница в видовых названиях коллекционных образцов. Актуальность изучения репродуктивной биологии

большой группы видов Medicago, важных в селекционном отношении, несомненна.

1.2. Цель и задачи работы.

Изучение особенностей репродуктивной биологии семи однолетних видов Medicago на возможно более полной коллекции их образцов предполагало решение ряда конкретных задач:

- сбор образцов семян однолетних видов Medicago мировой флоры и создание живой коллекции; изучение имеющейся во ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова коллекции однолетних Medicago; проверка правильности определения всех образцов;

- изучение особенностей цветения, опыления, плодо- и семяобразования разных видов;

- проведение эмбриологического анализа развития пыльцы и зародышевых мешков, процесса оплодотворения, развития зародыша и эндосперма;

- оценка фергильности пыльцы и зародышевых мешков изучаемых видов.

1.3. Научная новизна работы:

- впервые изучена репродуктивная биология семи однолетних видов из четырех секций рода Medicago на 150 образцах различного географического происхождения;

- после проведенных сравнительных исследований биологии цветения и опыления описано явление бугонной клейстогамии, при этом выявлено соотношение клейстогамных и хазмогамных цветков у разных видов и установлено, что изучаемые виды различаются по степени встречаемости клейстогамных цветков;

- впервые эмбриологически исследованы виды M.intertexta, M.turbinata, M.arabica, M.radiata, существенно дополнены и обобщены данные по эмбриологии M.lupulina, M.orbicularis, M.scutellata, получена полная эмбриологическая картина развития пыльцы и зародышевых мешков, процесса оплодотворения, развития зародыша и эндосперма у этих видов;

- определена фертильность мужского и женского гаметофитов исследуемых видов с использованием различных методов, созданных в последние годы; установлена высокая фертильность как пыльцы, так и семяпочек, что является предпосылкой высокой семенной продуктивности.

1.4. Теоретическая и практическая ценность работы.

Полученные данные по цветению, и опылению однолетних видов люцерны в

сочетании со сведениями, имеющимися в литературе, раскрывают тип и способ их опыления и закономерности, характеризующие этот процесс. Эти данные представляют интерес как с теоретической, так и с практической стороны.

Опыление однолетних видов Medicago может служить примером появления адаптация, экологических по своему происхождению и закрепленных отбором в генотипе; это автогамия, включая клейстогамию, и автотриппинг. То и другое основывается на генетически обусловленной самосовместимости. Для многолетних же видов характерна самонесовместимость, преодоление которой до сих пор является для селекционеров трудной задачей. Таким образом, в пределах одного рода имеет место эволюционно различная стратегия размножения. Поэтому выявление конкретных механизмов, с помощью которых она реализуется, имеет несомненное теоретическое значение.

С практической стороны знание процессов опыления и оплодотворения необходимо для селекции, что подчеркивалось еще Н.И.Вавиловым в 1932 г. Этим же целям служат и материалы эмбриологичеких исследований, которые пополняют характеристику рода Medicago. Полученный материал интересен также для систематики.

Собраны коллекция плодов и гербарий однолетних люцерн, включающие около 400 образцов. Семена 60 образцов однолетних люцерн и^> коллекции Пермского государственного университета переданы для изучения в коллекционном питомнике Приаральской опытной станции, 30 из них привлечены в коллекцию ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова (справка №151 от 24 июля 1991 года). На Приаральскую опытную станцию переданы также результаты определения коллекционных образцов однолетних видов и данные по цветению, состоянию мужской и женской фергильности. 178 гербарных образцов однолетних люцерн переданы в Гербарий отдела интродукции ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова (WIR) и используются в практической работе (справка №32 от 18 июля 1993 года). 132 гербарных образца однолетних люцерн переданы через Гербарий Оксфордского университета в Гербарии ботанического сада Кью (К), Британского Музея в Лондоне (ВМ), ботанического сада Миссури в США (МО) (письма от 22 января и 1 февраля 1993 года).

Для ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова подготовлен список видов с указанием их распространения, образцами которых желательно пополнить коллекционный фонд однолетних люцерн. Это виды секций Spirocarpos Ser. (10),

Heynianae Greuter (1), Geocarpa E.Small (1), Platycarpa E.Small (2), Lunatae (Boiss.) E.Small (4), Buceras (Ser.) E.Small (19). Виды, относящиеся к четырем последним секциям, переведены в Medicago из Trigonella в последние годы.

1.5. Положения, выдвигаемые для зашиты:

- однолетние виды Medicago из секции Lupularia Ser. - M.lupulina L., из секции Orbiculares Urb. - M.orbicularis (L.) Bartal., из секции Hymenocarpos Ser. -M.radiata L., из секции Spirocaipos Ser. - M.intertexta (L.) Miller (подсекция Intertextae (Urb.) Heyn), M.turbinata (L.) All. (подсекция Pachyspireae (Urb.) Heyn), M.scutellata (L.) Miller (подсекция Rotatae (Urb.) Heyn), M.arabica (L.) Hudson (подсекция Leptospireae (Urb.) Heyn) представляют собой группу видов, отличающихся от многолетних видов этого рода особенностями цветения и опыления, которые, по имеющимся данным, носят генетический характер;

- однолетние виды имеют морфологию цветка Medicago, суточный ритм их раскрывания и механизм триппинга; структуры цветка, обеспечивающие у многолетних видов ксеногамию, у однолетних видов по существу бездействуют: трип-пинг, вызываемый посещением насекомыми, заменен автотриппингом, происходящим без механического воздействия извне; ксеногамия заменена автогамией.

- автогамия у однолетних видов Medicago осуществляется либо путем авто-триппинга в хазмогамных цветках, либо путем клейстогамии в особой форме -форме бутонной клейстогамии; хазмогамные и клейстогамные цветки встречаются на одном растении и даже в одном соцветии; способность к бутонной клейстогамии у разных видов неравноценна;

- мужской и женский гаметофиты однолетних видов завершают свое развитие до раскрывания цветков; зрелая пыльца и начало образования пыльцевых трубок обнаруживаются уже в зеленых бутонах; зрелые зародышевые мешки регистрируются в окрашенных бутонах; почти совпадающий ритм развития пыльцы и зародышевых мешков является предпосылкой бутонной клейстогамии у однолетних видов;

- высокая фертильностъ пыльцы и зародышевых мешков, а также автогамия обеспечивают семенную продуктивность, достаточную для семенного возобновления однолетних видов.

1.6. Апробапия работы и публихашш результатов.

Результаты исследований докладывались на научных конференциях в Пермском государственном университете, на I Всесоюзном научно-производственном

семинаре "Бобовые кормовые растительные ресурсы - потенциал и использование" (Москва, 1991), на IX Всесоюзном совещании по семеноведению интроду-центов (Умань, 1991), на IV молодежной конференции ботаников Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 1992). Материалы исследования представлены в 7 опубликованных работах.

1.7. Структура я объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, содержащего 111 наименований отечественных и 46 зарубежных авторов, приложения. Работа изложена на 164 страницах, содержит 16 таблиц, 18 рисунков, 74 микрофотографии.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность рассматриваемых в диссертации вопросов.

В первой главе названы объекты, место и методы исследований. В качестве объектов были взяты 150 образцов 7 однолетних видов Medicago из коллекций Пермского государственного университета и ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова (табл. 1). По вопросам систематики следовали работам E.Small. Для определения образцов, выращенных из семян, использованы гербарные материалы Ботанического института РАН (LE), Московского университета (MW), университета Оксфорда, Ботанического сада Кью (К) и Британского Музея (ВМ).

Полевые наблюдения и сбор материала проведены в 1988-92 гг. на коллекционных участках однолетних люцерн в учлесхозе "Предуралье" и на Приаральской опытной станции ВНИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова.

Для изучения цветения и опыления однолетних видов люцерны в качестве основы использовалась методика А.Н.Пономарева (1960). Для исследования мужской и женской генеративных сфер фиксировались бутоны и цветки последовательных стадий развития. Процесс двойного оплодотворения, развитие зародышей и эндосперма наблюдали на темпорально фиксированных завязях после искусственного триппинга цветков. Для фиксации материала использовался фиксатор Кларка. Проводка, парафинирование велись общепринятыми методами; микротомные.. парафиновые срезы толщиной 10-15 мкм окращивались гематоксилином о Гейденгайну (Паушева, 1974). Фертильность пыльцевых зерен определяли на временных препаратах, окрашенных ацетокармином и по Александеру (ПаушеВа, 1974; Alexander, 1969). Фертильность семяпочек и пыльцевые трубки в

бутонах и цветках наблюдали с помощью люминесцентного микроскопа (Отбор..., 1985; Экспресс-методы..., 1988; Вишнякова, 1989). Фертильность зародышевых мешков оценивали после просветления семяпочек в этилсалицилате и определения крахмала в зародышевых мешках с использованием йодной реакции (Способ..., 1991). Постоянные и временные препараты изучали с помощью микроскопов МБИ-6, "Люмам", фотографировали на пленки "Микрат", "Фото".

Таблица I

Изученные однолетние Medicago

Виды Секции 2n Число образцов

M.lupulina L. -люцерна хмелевидная Lupularia Ser. 16, 32 82

M.orbicularis (L.) Bartal. -люцерна округлая Orbiculares Urb. 16 15

M.radiata L. -люцерна лучистая Hymenocarpos Ser. 16 4

M.arabica (L.) Hudson -люцерна аравийская Spirocarpos Ser. подсекция Leptospireae (Urb.) Heyn 16 9

M.intertexta (L.) Miller -люцерна переплетенная Spirocarpos Ser. подсекция Intertextae (Urb.) Heyn 16 4

M.scuteilata (L.) Miller -люцерна щитковидная Spirocarpos Ser. подсекция Rotatae (Urb.) Heyn 30 20

M.turbinata (L.) All. -люцерна бугорчатая Spirocarpos Ser. подсекция Pachyspireae (Urb.) Heyn 16 16

Во второй главе дан обзор литературы по особенностям цветения, опыления, эмбриологии, плодо- и семяобразования у однолетних видов \ledicago. Оценивая в целом состояние исследований в области репродуктивной биологии однолетних представителей рода можно выделить два главных момента. Во-первых,

достаточно подробно изучено цветение, опыление, плодоцветение и семяобразо-вание некоторых однолетних представителей рода в естественных условиях и на поливе. Но мнения авторов по отдельным вопросам противоречивы. Во-вторых, данные по эмбриологии однолетних видов \iedicago фрагментарны и неполны.

Имеются сведения по морфологии и размерам пыльцевых зерен у разных видов; изучен рост пыльцевых трубок в пестиках шести видов; проанализированы цветки 20 видов по числу семяпочек в завязи; описано развитие зародышей и эндосперма у МЛириНпа и Млс^ЫЫа.

В третьей главе изложены результаты исследований репродуктивной биологии изученных однолетних видов Medicago.

Цветение и опыление. Однолетние люцерны имеют цветки, морфология которых типична для рода Medicago. Парус у всех видов гораздо длиннее, чем крылья и лодочка; крыловидные лепестки длиннее лодочки оказались лишь у M.radiata, у других видов крылья короче лодочки. Цветки у всех видов желтые, разных оттенков. У люцерны хмелевидной самые мелкие цветки в роде Medicago - до 3 мм в длину. У люцерны переплетенной самые крупные цветки среди изученных, их длина (7 мм) приближается к средней длине цветков многолетних видов. Длина раскрывшихся цветков других изученных видов варьирует от 4.5 до 6.5 мм. Максимальное число цветков в соцветии МЛириНпа достигает 40, при среднем 23.6±0.8, у других же видов в соцветии всего 2-5 цветков. Фенологические наблюдения за МЛириНпа, проведенные в природных условиях, показали, что цветение длительно, начинаясь во второй декаде июня, продолжается до заморозков. Период массового цветения длится с начала июля до середины августа. На коллекционных участках в Предуралье и Приаралье цветение большинства образцов начиналось примерно через один-полтора месяца после посева. В условиях культуры, за немногими исключениями, образуются мощные растения с большой зеленой массой и огромным числом соцветий.

Раскрывание цветков начинается с появления щели на флаге в утренние часы (6-7 часов). Через час после начала раскрывания первых цветков на растении одновременно отмечаются цветки разных стадий раскрывания: от щелевидно полураскрытых до полностью раскрытых. Больше всего раскрытых цветков оказывается с 9 до 14 часов. Некоторые бутоны, начавшие раскрывание во второй половине дня, образуют только щель, а после 18 - 19 часов все полураскрытые, а также раскрытые, но нетриппингованные цветки, смыкают свои лепестки. Утром следующего дня именно они раскрываются первыми. Число закрывающихся цветков не является постоянным даже у одного образца в разные дни, и выявить каких-либо закономерностей в этом процессе не удалось. Закрываются цветки и перед

дождем, а в дождливые дни они не раскрываются совсем. У многолетних люцерн закрывание раскрывшихся цветков не описано.

Опылители посещают цветки однолетних люцерн крайне редко, и посещения носят случайный характер. Триппинг цветков однолетних люцерн не зависит от насекомых, это автотриппинг. В среднем он наступает через три часа после раскрытия цветка, но возможен и через один час, и через шесть-семь часов. После взрывного опыления, когда тычиночно-пестичная колонка выскакивает, как пружина, ударяясь о флаг, в течение одного-трех часов цветок медленно закрывается до тех пор, пока флаг не обернет пестик; окраска лепестков бледнеет. Наиболее массово автотриппинг осуществляется с 11 до 15 часов. У изученных видов, за исключением М.гасЦага, обнаружено разное число нетриппингующих. цветков. Максимальное число таких цветков осталось в один из дней наблюдений у М.1ириНпа в Предуралье (35.6%). У этого же вида в условиях жаркого лета в Приаралье отмечено их минимальное число (1.0%).

Автотриппинг без участия опылителей обеспечивает автогамию в цветках однолетних люцерн. К тому же, у исследованных видов, кроме хазмогамных, обнаружены и клейстогамные цветки. Те и другие встречаются на одном растении и даже в одном соцветии. Морфологически клейстогамные цветки похожи на хазмо-гамные, их отличия выявляются при эмбриологическом исследовании. В бутонах и цветках до триппинга регистрируются пыльцевые трубки (в пыльниках, на рыльцах, в столбиках, завязях пестиков) и признаки совершившегося двойного оплодотворения в зародышевых мешках, к которым относятся разрушенные си-нергиды, свидетельствующие о вхождении пыльцевой трубки в зародышевый мешок, картины двойного оплодотворения, развития зародыша и эндосперма.

Часть пыльцевых зерен в клейстогамных цветках однолетников прорастает в пыльниках сразу после созревания в зеленых бутонах. Процесс начинается с набухания цитоплазмы, выпячивающейся в апертуры, после чего формируется пыльцевая трубка. В окрашенных бутонах, раскрывающихся и раскрытых цветках наблюдаются пыльцевые трубки, длина которых превышает диаметр пыльцевых зерен. Пыльцевые трубки благодаря тому, что пыльники в бутоне плотно примыкают к рыльцу, быстро проникают в столбик, и к моменту раскрывания цветка одна часть их находится в его ткани, а другая часть уже проникает к семяпочкам и в зародышевые мешки.

При исследовании нетриппингованных цветков пяти однолетних видов с помощью люминесцентной микроскопии в 27 цветках из 173 были обнаружены пыльцевые трубки в различных частях пестика. Начало прорастания пыльцевых зерен отмечено у всех семи видов в 565 бутонах и нетриппингованных цветках из 1531 исследованных (36.9%). Пыльцевые трубки, длина которых превышала диаметр пыльцевых зерен, отмечены в 98 цветках из 1531 (6.4%). На постоянных препаратах у семи видов из зеленых бутонов исследовано 357 зародышевых мешков и оплодотворенных из них не обнаружено. В окрашенных бутонах из 1157 оказалось 34 зародышевых мешка с признаками двойного оплодотворения. В раскрывающихся и раскрытых нетриппингованных цветках в 106 из 818 зародышевых мешков произошло двойное оплодотворение, развивались зародыши и эндосперм.

Изложенные выше факты говорят также о том, что клейстогамия у однолетних видов не является абсолютной. Она практически не обнаружена у M.radiata, другие виды можно расположить следующим образом по встречаемости клейсто-гамных цветков: M.orbicularis (наибольшее число таких цветков), M.scutellata, M.lupulina, M.turbinata, M.arabica, M.intertexta (табл.2).

Таблица 2

Бутонная клейстогамия у однолетних видов люцерны

Пыльцевые трубки в Семяпочки Нетриппинго ванные

Виды пыльниках й пестиках цветки

Medicago исследо- из них с исследо- из них опло- исследовано из них с

вано пыльцевыми вано дотворены. коллекционных клейстогамными

цветков трубками,% всего % образцов цветками

M.lupulina 951 8.2 476 5.9 62 17

M.orbicularis 257 14.4 556 104 8 8

M.radiata 66 1.5 154 нет 2 нет

M.arabica 66 9.1 93 6.5 5 4

M.intertexta 200 0.5 464 9.3 4 нет

M.scutellata III 1.8 33 9.1 12 7

M.turbinata 63 нет 100 2 8 5

Развитие пыльцевых зерен. Фертильность пыльцы. Пыльники однолетних люцерн четырехгнездные, развиваются по типу двудольных. Самые ранние стадии развития пыльников наблюдаются в крошечных бутонах, плотно скученных в пазухах листьев. В этот период ткань пыльника уже дифференцирована: выделяются спорогенная ткань и стенка пыльника, которая в период мейоза микроспороцитов

включает эпидермис, эндотеций и тапетум. Одноядерный тапетум секреторного типа дегенерирует ко времени обособление микроспор. Стенка зрелого пыльника образована эпидермисом и эндотецием; клетки эндотеция вытянуты в радиальном направлении и имеют фиброзные утолщения; клетки эпидермиса уплощены. Зрелая стенка пыльника у всех видов имеет сходное строение. Спорогенные клетки располагаются в один-два слоя, их. отличают крупные ядра. Образование микроспор симультанное, расположение их тетраэдрическое. Высвобождение микроспор в пределах цветка, и пыльника асинхронно. Зрелые пыльцевые зерна двуклеточные, округлые, трехпоровые (у М.!ШеПех1а встречались четырехпоро-вые).

Средняя величина зрелых пыльцевых зерен варьирует от 25.2±0.8 мкм у МЛириНпа до 53.4±1.0 мкм у МлигЫг^а по полярной оси и от 22.2±1.0 мкм до 52.2±1.1 мкм в поперечнике по экватору у этих же видов. Соотношение размеров по полярной оси и экватору оказалось наименьшим у М.ШгЫпа1а (1.02), наибольшим - у МЛириИпа (1.14). В процессе развития, с момента образования одноклеточного пыльцевого зерна до зрелого двуклеточного, линейный размер пыльцы по полярной оси увеличивается в 1.51 - 2.37 раза.

В зрелых пыльниках, как правило, некоторые пыльцевые зерна стерильны. Фертильность пыльцы изучена у 100 образцов семи видов. Средний показатель фертильности высок и колебался от 85.66% у М.иЦеПех1а до 97.81% у М.огЫси1ап5. У пяти видов обнаружено шесть образцов с 100% фертильностью пыльцевых зерен.

В целом, развитие пыльника и пыльцы у однолетних видов не обнаруживает отклонений в сравнении с многолетними видами МеШсазо (Верещагина, Коляс-никова, 1990). Раннее развитие мужского гаметофита, созревание которого происходит задолго до раскрытия цветка в зеленых бутонах, скрытых чашелистиками, характерно и для многолетних, и для однолетних люцерн. Интересной и отличительной чертой однолетних МесШэдо является прорастание пыльцевых зерен в пыльниках. Это происходит лишь у части цветков, пыльцевые зерна прорастают- в пыльниках неодновременно. Таким образом, у однолетних МесИса§о ясно прослеживается тенденция к немедленному, сразу же после созревания, прорастанию пыльцы в пыльниках, тогда как у многолетних видов, как у многих цветковых, прорастание пыльцы стимулируется секретом рыльца и начинается после опыления.

Развитие и фертилытость зародышевых мешков. Число семяпочек в завязи у однолетних видов Medicago варьирует от 1 у M.lupulina до 15 у М.orbicularis. Наибольшее среднее число семяпочек зарегистрировано у M.orbicularis (13.35±0.54). Образцы одного вида, разные по происхождению, существенно не отличаются по этому показателю друг от друга.

Семяпочки однолетних люцерн кампилотропные, двупокровные, крассину-целлятные. Оба интегумента принимают участие в образовании микропиле, имеющего зигзагообразную форму.

Первичная археспоральная клетка, отличающаяся от других клеток нуцеллу-са густой цитоплазмой и крупным ядром, функционирует как мегаспороцит. В этот период интегументы только начинают свой рост, а в пыльниках наблюдается высвобождение микроспор из каллозной оболочки.

В результате мейоза, наряду с линейными тетрадами макроспор, иногда формируются и тетраэдрические. Зародышевый мешок образует халазальная мегаспора, остальные дегенерируют, их остатки сохраняются длительное время. Зародышевый мешок Polygonum - типа. Антиподы эфемерны и дегенерируют к началу роста зародышевого мешка в процессе его созревания. На двуядерной стадии зародышевые мешки имеют овальную форму. По мере развития происходит значительное увеличение их длины, тогда как ширина изменяется мало. Размеры зрелых зародышевых мешков измерялись из семяпочек раскрытых цветков. По усредненным данным, наибольшая длина оказалась у M.lupulina (173.3±14.5 мкм), наименьшая длина - у M.arabica (126.2+7.2 мкм), наибольшая ширина зафиксирована у M.orbicularis (43.6±2.1 мкм), наименьшая - у M.lupulina (19.9±2.8 мкм). Отношение длины к ширине колебалось от 3.02 у M.intertexta до 8.16 у M.lupulina. Размеры зародышевых мешков в семяпочках однолетних видов меньше размеров мешков у люцерны посевной, которые достигают длины 286 мкм (Орел, Казач-ковская, 1991).

Фертильные зародышевые мешки однолетних люцерн содержат крахмала гораздо больше, чем многолетние виды, его очень часто было так много, что в мешках не просматривались даже клетки яйцевого аппарата и были видны лишь полярные ядра. Крахмальные зерна, встреченные в зародышевых мешках однолетних видов, подразделялись на крупные, мелкие и пылевидные. Виды M.intertexta, M.orbicularis, M.arabica, M.scutellata, M.turbinata характеризуются наличием крупных и пылевидных крахмальных зерен. У M.lupulina, в соответствии с этой клас-

сификацией, обнаруживаются только мелкие и пылевидные крахмальные зерна. Для видов, у которых в зрелых зародышевых мешках присутствуют крупные крахмальные зерна, обнаружено постепенное увеличение их размеров в процессе развития зародышевого мешка. Пылевидные крахмальные зерна присутствуют и в зародышевом мешке, и в покровах семяпочки. • Крупные и мелкие крахмальные зерна присутствуют только в зародышевом мешке. Крахмальные зерна регистрируются со стадии двуядерного зародышевого мешка.

Зародышевой мешок окружен углеводной оболочкой, которая становится заметной со стадии двуядерного зародышевого мешка. В большинстве случаев углеводная оболочка тонкая.

О фертильности зародышевых мешков можно также судить по фертильности семяпочек. Стерильные семяпочки светятся в УФ-лучах, т.к. в клетках их нуцел-луса накапливается каллоза. У изученных видов такие семяпочки единичны, большинство семяпочек фертильны. Таким образом, мы наблюдали высокую фер-тильность женского гаметофита, нарушения в формировании зрелого зародышевого мешка у однолетних люцерн редки.

Сопоставление стадий развития женского гаметофита со стадиями развития цветка показало, что в зеленых бутонах нулевой стадии из 518 исследованных семяпочек наблюдались уже двух- и четырехядерные (44.4%) и даже восьмиядер-ные и зрелые зародышевые мешки (24.9%). В окрашенных бутонах, задолго до раскрывания цветка, в 89.6% семяпочек из 1258 просмотренных отмечены зрелые зародышевые мешки и даже случаи оплодотворения.

Полученные данные весьма интересны. Существует общепринятое мнение, основанное на большом числе научных данных, что развитие мужского гаметофита существенно опережает развитие женского. В том числе это зарегистрировано и у многолетних видов люцерны. Почти синхронное развитие пыльцы и зародышевых мешков у однолетних видов нельзя считать случайным, оно является предпосылкой бутонной клейстогамии.

Двойное оплодотворение. Зародыш и эндосперм. Процесс двойного оплодотворения у однолетних видов не имеет особых отличий от такового у других видов Medicago. Оплодотворение порогамное, пыльцевая трубка изливает свое содержимое в одну из синергид. Иногда разрушенными оказываются обе синергиды. Спермии шаровидны, один из них сливается с яйцеклеткой, образуя зиготу, другой - с одним из полярных ядер. В результате тройного слияния формируется пер-

вичное ядро эндосперма, которое вступает в деление раньше, чем зигота. Зигота после некоторого периода времени делится поперечной перегородкой, образуя апикальную и базальную клетки. Зародыш узеличивается в массе, затем его верхушечная часть уплощается вследствие быстрого роста боковых частей и зародыш постепенно принимает двулопастную сердечко видную форму; образуются бугорки будущих семядолей. Следует отметить, что длина и ширина подвеска очень варьируют.

Период времени от начала прорастания пыльцы на рыльце до двойного оплодотворения составляет от 4 до 24 часов у разных видов. Через 24 часа после искусственного триппинга цветков 81.8% зародышевых мешков из 207 просмотренных были с признаками двойного оплодотворения. Зарегистрированные зиготы, линейные зародыши, многочисленные ядра эндоспермы в цветках через 4-24 часа после искусственного триппинга у M.lupulina, M.orbicularis, M.arabica и M.scutellata свидетельствуют о том, что опыление в этих цветках произошло в бутонах.

Первые глобулярные и шаровидные зародыши с многочисленными ядрами эндосперма обнаружены раньше других у M.lupulina - через 24 часа после опыления, а уже через 48 часов они обычны. Чуть медленнее развиваются зародыши и эндосперм у M.scutellata и M.turbinata. У M.arabica и M.intertexta зародыши шаровидных стадий развития массово наблюдались через 96 часов после искусственного опыления.

Сравнивая развитие зародышей и эндосперма у многолетних и однолетних видов Medicago, следует подчеркнуть, что у многолетних видов первое деление зиготы отмечено через 48 часов после опыления, когда формируются 4-6 ядер эндосперма. Через 48 часов после искусственного триппинга у однолетних видов обычны линейные и шаровидные зародыши с суспензором, многочисленные ядра эндосперма. У многолетников после принудительного самоопыления нормальное развитие зародыша выявлено в двух-трех семяпочках завязи (общее количество семяпочек в завязи от 5 до 15), в остальных семяпочках были дегенерирующие неоплодотворенные зародышевые мешки. У однолетних же видов практически все семяпочки оказались оплодотворенными (Верещагина, Колясникова, Новоселова, 1990).

Семенная продуктивность. У M.lupulina определены потенциальная и фактическая семенная продуктивность в естественных биотопах (суходольный луг, ис-

пользуемый как пастбище, откос проселочной дороги, опушка темнохвойного леса) в периоды массового цветения и плодоношения в Пермской области. У этого вида процент семенификации совпадает с понятием процент плодоцветения, так как в генецее имеется всего одна семяпочка. Обращает на себя внимание практически одинаковый процент семенификации в разных местах обитания (около 40%), хотя расхождение между потенциальной и фактической семенной продуктивностью могут быть довольно высокими. Так, на растениях, выросших на откосе дороги, образовывались в среднем на одном генеративном побеге 364 цветка и 131 плод, а на суходольном лугу - 94 цветка и 36 плодов. В условиях коллекционных участков Предуралья и Приаралья у образцов данного вида процент плодоцветения при разных вариантах опыления весьма варьировал: 80.9% - при свободном опылении, 59.3% - при принудительном самоопылении, 30.3% - при самоопылении без вмешательства под изолятором. Самая низкая завязываемость плодов при всех вариантах опыления зарегистрирована у образцов Млп1еЛех1а (3.9 -9.6%). У данного вида опадали нетриппингующие цветки, а также молодые завязи и зеленые бобы. Проценты плодоцветения у образцов других видов колебались в широких пределах: у М.огЫсикпв - 25.8%, у М.агаЫса - 32.4%, у М.всШеМа - от 9.6 до 24.3%, у М.ШгЫшал - от 16.3 до 67.7%.

При определении процента семяпочек, дающих семена, в зрелых бобах учитывали полноценные, выполненные семена, хотя обнаруживались недоразвитые семена двух типов: первый тип - семена маленьких размеров, щуплые; второй, чаще встречаемый тип - нормальных размеров, частично выполненные. У первых нарушения в развитии семени возникают на ранних стадиях, у вторых - на поздних. Самый низкий показатель семяобразования зарегистрирован у МлгЦе11ех1а (35.06%), у других видов этот процент высок и варьирует от 95.80% у М.агаЫса до 71.40% у М.ветйеЦаи.

Учитывая большое число цветков на растении и большое число семяпочек в каждой завязи у МлШег1ех1а (9.27±0.52), успех воспроизводства этого вида даже при 3.9% цветков, образующих бобы, и при 35% семяпочек, дающих семена, обеспечен. Тем более, такой вывод справедлив для видов с более высокими показателями плодоцветения и семяобразования. В целом, семенная продуктивность однолетних люцерн обеспечивает их семенное возобновление и лучше реализуется в благоприятных для них условиях произрастания.

В четвертой главе обсуждаются особенности бутонной клейстогамии, опи-

санной у однолетних видов люцерны. Клейстогамия довольно широко распространена у цветковых. Бобовые не являются исключением. При этом клейстогам-ные и хазмогамные цветки четко различимы. При облигатной клейстогамии наблюдается задержка развития цветка, и он сходен с бутонами ранних стадий pas's.

вития. При факультативной клейстогамии происходит лишь задержка раскрывания цветка, и он подобен нераскрывшемуся позднему бутону хазмогамного цветка. В обоих случаях важную роль играют экологические условия. Клейстогамные цветки появляются в определенное время сезона.

Автогамия в бутоне, с его последующим раскрыванием, встречается редко. Явление, обнаруженное у однолетних люцерн, не укладывается в рамки описаний разных типов клейстогамных цветков. Для его обозначения в работе принят особый термин - бутонная клейстогамия, введенный М. Kalin Arroyo (1981).

Особенности проявления бутонной клейстогамии следующие:

- прорастание пыльцевых зерен начинается в бутонах с неокрашенным венчиком;

- бутон продолжает развитие, венчик приобретает свойственный ему размер и окраску и в это же время продолжается рост пыльцевых трубок через стенку пыльника к рыльцу с последующим оплодотворением зародышевых мешков;

- завязь увеличивается в размерах и цветок раскрывается как хазмогамный, но уже опыленный, с осуществившимся двойным оплодотворением; происходит автотриппинг.

3. ВЫВОДЫ

Проведенное исследование однолетних видов Medicago из секции Lupularia Ser. - M.lupulina L., из секции Orbiculares Urb. - M.orbicuiaris (L.) Bartal., из секции Hymenocarpos Ser. - M.radiata L., из секции Spirocarpos Ser. - M.intertcxta (L.) Miller (подсекция Intertextae (Urb.) Heyn), M.turbinate (L.) All. (подсекция Pachyspireae (Urb.) Heyn), M.scutellata (L.) Miller (подсекция Rotatae (Urb.) Heyn), M.arabica (L.) Hudson (подсекция Leptospireae (Urb.) Heyn) позволяет сделать следующие выводы:

1. Морфология, механизм триппинга и суточный ритм раскрывания цветков у однолетних видов типичны для рода Medicago.

2. Все исследованные виды являются автогамными. Автогамия обеспечивается двумя способами: в бутонах путем клейстогамии или в хазмогамных цветках

путем автотриппинга без участия опылителей. Хазмогамные и клейстогамные цветки встречаются на одном растении и даже в одном соцветии.

3. Клейстогамия у однолетних Medicago представляет собой особую форму, обозначенную вслед за М. Kalin Arroyo (1981) как "бутонная клейстогамия". Бу-тонная клейстогамия сочетает признаки облигатной (небольшое количество пыльцевых зерен, прорастающих через стенку пыльника) и факультативной (непостоянность явления и отсутствие редукции венчика). Доказательства бутон-ной клейстогамии получены при эмбриологическом исследовании методом световой и люминесцентной микроскопии: пыльцевые зерна с пыльцевыми трубками в пыльниках и на рыльце пестика, картины двойного оплодотворения, развития зародыша и эндосперма, наблюдаемые в бутонах или в раскрывшихся, но еще нетриппингованных цветках.

4. В клейстогамных цветках прорастание пыльцевых зерен начинается в зеленых бутонах. По мере развития бутона венчик приобретает свойственный ему размер и окраску и все это время продолжается рост пыльцевых трубок через стенку пыльника к рыльцу с последующим оплодотворением зародышевых мешков.

5. Клейстогамно опыленные цветки с оплодотворенными семяпочками, достигнув размера и окраски нормально развитого бутона, раскрываются как хазмогамные; без специального исследования такие цветки не отличимы от хазмогам-ных. Более того, они сохраняют механизм автотриппинга, бесполезный в этой ситуации.

6. Способность к бутонной клейстогамии у изученных видов неравнозначна. Наиболее часто клейстогамные цветки встречались у M.orbicularis, M.arabica, M.lupulina. Меньше клейстогамных цветков у M.scutellata и M.turbinata. У M.intertexta клейстогамные цветки единичны.

7. Мужской и женский гаметофиты у всех изученных видов завершают свое развитие до раскрывания цветков. Зрелая пыльца и начало образования пыльцевых трубок обнаруживаются уже в зеленых бутонах. Зрелые зародышевые меши! регистрируются в окрашенных бутонах. Почти совпадающий ритм развития пыльцы и 'зародышевых мешков является предпосылкой бутонной клейстогамии у однолетних видов.

8. Развитие пыльников и семяпочек типично для .бобовых и рода Medicago, отклонений от нормы не зарегистрировано. Все исследованные виды имеют juco-

кую фертильность пыльцы и зародышевых мешков.

9. Семенная продуктивность изученных видов варьирует в широких пределах, но при всех ее колебаниях она обеспечивает семенное возобновление.

10. Вид M.radiata стоит особняком среди других исследованных однолетних видов. На основании морфологии плодов систематиками оспаривается принадлежность M.radiata к роду Medicago. По полученным данным, этот вид отличается также и отсутствием бутонной клейстогамии, характерной для других однолетних видов, что может быть использовано при обсуждении вопроса о его систематическом положении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ:

1. Верещагина В.А., Колясникова Н.Л., Новоселова Л.В. Эмбриология дикорастущих видов люцерны // Бот. исследования на Урале: информ. материалы/ УрО АН СССР. - Свердловск, 1990. - С. 15.

2. Колясникова Н.Л., Трубникова (Новоселова) Л.В. Эмбриологическое изучение самосовместимых и самонесовместимых форм люцерны посевной // Актуальные проблемы химико-биолог. наук в исслед. молодых ученых: Тез. докл. межвузовской конф. молодых ученых. - Пермь, 1986. - С. 10.

3. Новоселова Л.В. К изучению биологии размножения однолетних видов люцерны // Тр. IV молодеж. конф. ботаников Санкт-Петербурга / Бот. ин-т им. В.Л.Комарова РАН. - СПб, 1993,- Ч. 2. - С. 118 - 124,- Деп. ВИНИТИ, №1622 -В. 93.

4. Новоселова Л. В. К изучению репродуктивной биологии однолетних видов люцерны // Репродуктивная биология интродуцированных растений: Тез. докл. IX Всесоюз. совещ. по семеноведению интродуцентов. - Умань, 1991. - С. 149.

5. Новоселова Л.В., Пьянкова C.B. О цветении однолетних видов люцерны// Науч.-техн. и соц. проблемы в выполнении Продовольственной прогр. Тез. докл. гор. студ. конф. (15 - 16 ноября 1990 г.). - Пермь, 1990. - С. 42 - 43.

6. Novoselova L. Gleaning // Bean Bag. - Beltsvill, USA. - 1992.- №36,

November.- P. 9. ♦

7. Novoselova L. Gleaning // Bean Bag. - Beltsvill, USA. - 1993,- №38, November.- P. 8.