ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2007, № 1, с. 57-64
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630*181.52+576.354.4:581.331.2:582.475
МЕЙОЗ ПРИ МИКРОСПОРОГЕНЕЗЕ И ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ ПЫЛЬЦЫ У ПИХТЫ СИБИРСКОЙ В СРЕДНЕГОРЬЕ ВОСТОЧНОГО САЯНА*
© 2007 г. Е. В. Бажина, О. В. Квитко, Е. Н. Муратова
Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок E-mail: genetics@forest.akadem.ru Поступила в редакцию 5.03.2005 г.
Исследовались мейоз при микроспорогенезе и жизнеспособность пыльцы у пихты сибирской (Abies sibirica Ledeb.) в горных лесах Восточного Саяна (территория заповедника Столбы). Мейоз у данного вида детально изучен впервые. Отмечены как общие, так и специфические типы нарушений, часть из которых может привести к стерильности пыльцы и семян. Регрессионный анализ показал наличие слабой отрицательной связи между жизнеспособностью пыльцы и количеством аномальных мейоцитов.
Хвойные, пихта сибирская, микроспорогенез, мейоз, хромосомы, нарушения мейоза, мутации, жизнеспособность пыльцы.
Пихта сибирская (Abies sibirica Ledeb.) является одним из основных лесообразующих видов гор Южной Сибири. По распространению она занимает третье место после кедра сибирского и лиственницы сибирской; на пихтовые леса приходится около 16% лесопокрытой площади территории гор Южной Сибири [17].
Одним из критических периодов полового размножения организмов является мейоз. Качество мужских гамет, а, следовательно, и успешность оплодотворения у растений, зависит от успешности мейоза, нарушения которого часто приводят к стерильности пыльцы и семян.
Мейоз у пихты сибирской детально не изучен. Краткое описание отдельных стадий приведено в монографии Т.П. Некрасовой и А.П. Рябинкова [15]. Некоторые нарушения в мейозе у пихты сибирской при промышленном загрязнении описаны Л.П. Преснухиной и Н.А. Калашник [18]. По цитогенетике рода Abies в целом данных очень мало. Процесс микроспорогенеза и поведение хромосом в мейозе изучены только у нескольких видов рода: A. sachalinensis Fr. Schmidt, A. homole-pis Siebold et Zucc., A. nobilis Lindl., A. x boresii-
* Исследования поддержаны РФФИ (03-04-49719), Красноярским краевым фондом науки (12F0023C), Программой фундаментальных исследований Президиума РАН "Динамика генофондов растений, животных и человека" (госконтракт < 10002-251/П-24/154-319/190-504-294), грант ККФН-РФФИ "Енисей-2005" (05-04-97717).
regis Mast., A. alba Mill., A. nordmanniana Spach, A. pinsapo Boiss., A. concolor Hoopes, A. cephalonica Loud., и A. koreana Wils. [29, 31, 32]. Между тем анализ мейоза имеет большое значение для изучения половой репродукции хвойных.
Цель настоящей работы - изучение мейоза при микроспорогенезе, а также жизнеспособности пыльцы у пихты сибирской в горных лесах Южной Сибири, где наблюдается усыхание пихтовых древостоев, которое сопровождается нарушениями полового процесса [1].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Исследования проводили в 2002 и 2003 гг. в среднегорье Восточного Саяна (район заповедника Столбы). В 2002 г. объектами исследования являлись типичные деревья пихты сибирской, растущие в долине р. Лалетина (высота 480-520 м над ур. м.). В 2003 г. в исследование были включены деревья, растущие в верховьях р. Калтат (высота 640-680 м над ур. м.). В настоящее время здесь наблюдается усыхание пихты, что возможно обусловлено высоким уровнем промышленного загрязнения среды этой части заповедника из-за близости Красноярска [7, 10]. В верховьях р. Калтат были отобраны два усыхающих дерева пихты, а также два дерева без признаков усыха-ния (типичных). Характеристика деревьев представлена в табл. 1.
Материалом для исследования служили мужские генеративные почки восьми отобранных де-
Таблица 1. Характеристика отобранных деревьев пихты сибирской
Место произрастания Тип леса Возраст, лет Высота, м Диаметр на 1.3 м, см Протяженность кроны, м Проекция кроны, м
Долина р. Лалетина Осинник разнотравный с примесью пихты 110-130 11-14 20-26 9.0-12.0 5.0-6.0
Верховья р. Калтат Пихтарник разнотравно-зеле-номошно-вейниковый 120-140 11-14 22-28 13.0-16.0 3.5-4.5
Таблица 2. Сравнительная фенология мейоза у пихты сибирской
Место произрастания Первое деление (метафаза I-телофаза I) Второе деление (профаза II-телофаза II) Начало проталлиальных делений
Долина р. Лалетина (типичные деревья) 5.05 -6.05 7.05 -8.05 5. 05 -6. 05 7. 05 -8. 05 12.05 13.05
Верховья р. Калтат
типичные деревья - -
9. 05 -10. 05 10. 05 -11. 05
усыхающие деревья - -
7. 0 5 -8.05 8. 0 5 -10.0 5
Примечание. В числителе - 2002 г., в знаменателе - 2003 г.
ревьев. Микростробилы фиксировали ежедневно с 3 по 12 мая 2002 г. и с 3 по 13 мая 2003 г. в спир-тово-уксусной смеси (3 : 1). Материал выдерживали в фиксаторе 1-2 сут, затем переводили в 70%-й спирт на хранение. В качестве красителя использовали ацетогематоксилин. При проведении работы было проанализировано 9644 делящихся микроспороцитов, посчитано число мейоцитов на разных стадиях мейоза, отмечены типы нарушений и их частота.
Для определения жизнеспособности пыльцу проращивали in vitro на 15%-м растворе сахарозы при температуре 26°С. Через 5-7 дней после заложения пыльцы на проращивание учитывали число проросших пыльцевых зерен (%), а также измеряли длину пыльцевых трубок (мкм). Определяли также размеры пыльцевых зерен.
Исследования проводили с помощью микроскопа МБИ-6, фазы мейоза фотографировали на пленку "Микрат". Кроме того, часть препаратов анализировали под микроскопом Axioskop 20 (Карл Цейс, Германия) с видиокамерой и выходом на монитор "SONY Multiscan G200". Статистическую обработку данных проводили по общепринятым методикам [20].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
У пихты сибирской мейоз начинается и заканчивается весной [28]. В горных лесах Восточного Саяна мейоз у пихты проходит в первой декаде мая (табл. 2), приблизительно в те же сроки, что
и в пихтачах Салаирского кряжа [15]. Сумма эффективных температур на начало мейоза составляла tэф > 5 = 40.8-47.8 град-дней.
Как и у других хвойных, у пихты профаза первого деления является наиболее длительной стадией, она может продолжаться около 5 сут. Остальные стадии мейоза (от метафазы I до стадии тетрад) проходят достаточно быстро: в течение 1-2 суток. В микроспороцитах усыхающих деревьев мейотические деления от стадии метафазы I до стадии тетрад, наблюдались несколько дольше, в течение 3-4 сут. После распада тетрад микроспор до первых проталлиальных делений у хвойных наблюдается период покоя [8], который у пихты длится около 6 дней.
В целом мейоз у пихты сибирской проходит по классическому типу (рис. 1). Диаметр микроспороцитов, как правило, в 1.2-2.0 раз больше, чем у окружающих клеток тапетума и в среднем составляет 55.8 ± 1.17 мкм (у клеток тапетума -33.9 ± 1.08 мкм). На стадии профазы первого деления в мейоцитах пихты сибирской насчитывается 1-5 ядрышек, одно из которых крупнее и лучше прокрашивается. Исследования показали, что ядрышки в мейоцитах пихты сибирской исчезают к концу диплотены, хотя ранее считалось, что они сохраняются до конца следующей стадии -диакенеза [15].
На стадии метафазы первого деления (М I) у пихты сибирской, как и у других хвойных, видны 12 бивалентов (рис. 1, д), морфология которых определяется расположением и числом хиазм.
Рис. 1. Мейотическое деление и формирование пыльцевого зерна у пихты сибирской в среднегорье Восточного Саяна: а - лептотена, б - пахитена, в - диплотена, г - диакинез, д - метафаза I, е - анафаза I, ж - телофаза I, з - профаза II, и - метафаза II, к - анафаза II, л - тетрада микроспор, м - микроспора (10 х 100).
ш ^¡т & т в
f Mjtttf^ f д е
% l 3 * Щ $ и
<ч % * «*> «с-: ф л Mt fe " J® м
У пихты сибирской насчитывается до 3 хиазм на бивалент (в среднем 2.1 ± 0.21). По литературным данным [32], у А. cephalonica и А. по^таптапа частота хиазм составляет в среднем 2.4 на бивалент.
Результаты исследований показали, что мейоз у пихты сибирской имеет ряд особенностей. Прежде всего особенностью мейоза пихты, как и других хвойных видов, является его асинхрон-ность. В пределах одного микроспорангия можно наблюдать различные стадии первого и второго делений (профазу первого деления и телофазу второго деления). Асинхронность мейоза наблюдается у многих видов хвойных [8, 9, 13, 14, 19, 23],
что может отражать неравные температурные и иные условия развития в разных спорангиях, а также различия в питании микростробилов [15].
Еще одной особенностью мейоза пихты сибирской является быстрое прохождение телофаз первого и второго делений, каждую из которых удалось наблюдать лишь у 0.05% исследованных микроспороцитов. Третьей особенностью пихты сибирской и, возможно, всего рода Abies, является четко идентифицируемая профаза второго деления. У других видов хвойных она короткая и быстро наступает метафаза II [3, 8, 13].
Рис. 2. Аномалии первого деления мейоза у пихты сибирской в среднегорье Восточного Саяна:
а - поливалентные ассоциации в метафазе I, б - фрагментация хромосом, предположительно в метафазе I, в - выброс хромосом в метафазе I, г - выброс хромосом в анафазе I, д - хаотическое расхождение в анафазе I, е - отстающие хромосомы в анафазе I (10 х 100).
© •чГ а "У 4 * ир." лРШВш- ^ - г - ^ - Щ %
% £
■ ^Г ** д е
В большинстве изученных клеток мейоз проходил регулярно с правильным расхождением хромосом к противоположным полюсам. На разных стадиях мейоза были обнаружены и нарушения (рис. 2, 3). Общее число клеток с нарушениями у деревьев пихты сибирской, растущих в долине р. Лалетина, составляло 3.0-4.3%, увеличиваясь в стрессовых условиях (в верховьях р. Калтат) до
4.5-6.6 у типичных деревьев и 6.4-12.5% у усыхающих деревьев. При этом спектр аномалий у усыхающих деревьев был значительно шире.
В первом делении мейоза у деревьев, растущих в долине р. Лалетина, наблюдались в основном нарушения общего типа, характерные для большинства исследованных деревьев. К ним относятся: униваленты на стадии диакинеза, выброс хро-
Рис. 3. Аномалии второго деления мейоза у пихты сибирской в среднегорье Восточного Саяна:
а - линейная ориентация веретен в метафазе II, б - линейная ориентация веретен в анафазе II, в - множе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.