ОНТОГЕНЕЗ, 2007, том 38, № 1, с. 5-11
БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 581.3
ОСОБЕННОСТИ РАННЕГО ЭМБРИОГЕНЕЗА У АПОМИКТИЧНОГО
Poa pratensis L.
© 2007 г. О. И. Юдакова, Т. Н. Шакина
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского 410012 Саратов, ул. Астраханская, д. 83 E-mail: biofac @ sgu.ru Поступила в редакцию 27.05.05 г. Окончательный вариант получен 15.05.06 г.
Изучены ранние стадии формирования зародыша у апомиктичного мятлика лугового Poa pratensis L. Установлено, что при переходе на партеногенез, по крайней мере на начальных этапах эмбриогенеза, сохраняется алгоритм развития полового зародыша. Это может быть обусловлено существованием единой для амфимиксиса и апомиксиса системы генетического контроля эмбриогенеза. Выявлена асинхронность эмбриологических процессов как в пределах соцветия (неодновременное созревание семязачатков), так и в пределах одного семязачатка и даже одного гаметофита (разное время индукции к развитию апоархеспорических инициалей и яйцеклеток). Эта особенность эмбриологии псевдогамных апомиктов позволяет им одновременно производить и половое, и апомиктичное потомство.
Ключевые слова: апомиксис, псевдогамия, партеногенез, эмбриогенез, мятлики.
Эмбриологическая картина партеногенеза у растений была описана около ста лет назад (Strassburger, 1905; Rosenberg, 1907). Одним из основных объектов изучения закономерностей данного явления долгие годы был и до сих пор остается мятлик, в особенности Poa pratensis L. (Muntzing, 1933; Kiellander, 1941; Akerberg, 1943; Gustafsson, 1946, 1947а, b; Nielsen, 1946a, b, 1974; Nygren, 1950, 1951; Gustafsson, Gadd, 1965; Жиров, 1969; Кордюм, 1970; Батыгина, Фрейберг, 1979; Naumova et al., 1992, 1993; Кутлунина, Мальцев, 1994; Шишкинская и др., 1994; Кутлунина, 2001; Albertini et al., 2002). Однако до сих пор автономное развитие зародыша скрывает в себе много тайн. К числу вопросов, на которые нет убедительных ответов, можно отнести следующие: 1) на какой стадии (дифференцировки, специализации и др.) женская гамета выбирает апомиктич-ный путь развития; 2) имеет ли партеногенетиче-ский зародыш свой алгоритм морфогенеза; 3) в какой степени соответствуют развитие партено-генетического и полового зародышей.
С использованием ускоренных методов цито-эмбриологического анализа мы изучили ранние этапы эмбриогенеза у псевдогамного апомикта Poa pratensis L. Особое внимание уделяли ориентации клеточных стенок и последовательности первых делений проэмбрио.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Материалом исследования служила факультативно апомиктичная популяция Poa pratensis L., произрастающая на территории г. Саратова. Фиксацию соцветий проводили ацетоалкоголем (3:1) темпорально: на ранних стадиях развития цветка, когда в пыльниках присутствовали микроспоры и двухклеточная пыльца; в фазе раскрытия цветка и через 1, 2, 3 сут от начала цветения. Для выделения целых зародышевых мешков использовали методику ферментативной мацерации завязей с последующей диссекцией семязачатков (Куприянов, 1978). На классических микротомных препаратах определить взаимное расположение клеточных перегородок в зародышах можно, только сопоставляя картины деления в трансверсальном, дорсовентральном и билатеральном сечениях. Использованная нами методика выделения целых зародышевых мешков позволила изучить структуру каждого зародыша одновременно в нескольких плоскостях. В ходе исследования из 440 семязачатков было выделено 532 зародышевых мешка. Ранние стадии эмбриогенеза отмечены в 249 мегагаметофитах, часть из которых содержала по два зародыша. Всего проанализирован 261 зародыш.
Фотографии сделаны с помощью цифровой камеры-окуляра DCM35 ("SCOPETEK", Китай).
Рис. 1. Автономный эмбриогенез у Poapratensis: а - активизированная к партеногенетическому развитию яйцеклетка; б - пятиклеточный проэмбрио и интактная яйцеклетка; в, г - партеногенетические проэмбрио с неправильным заложением клеточных перегородок; д - дегенерация базальной клетки в двухклеточном проэмбрио; е - два автономных зародыша. Масштаб: 0.02 мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ материала показал, что основным способом воспроизведения изученной популяции является
факультативным апомиксис на базе апоархеспории1,
1 Мы используем термин, предложенный Хохловым (1967), который, на наш взгляд, более точно отражает сущность данного явления, хотя в зарубежной и отечественной литературе чаще употребляют термин "апоспория".
при которой нередуцированные зародышевые мешки развиваются из соматических клеток семязачатка. Число мегагаметофитов в разных семязачатках варьирует от 1 до 5 и более. Наряду с образованием нередуцированных зародышевых мешков возможно параллельное формирование эуспориче-ских (редуцированных) гаметофитов. И те и другие имеют типичное для злаков строение.
Партеногенетическое развитие зародыша (рис. 1) начинается, как правило, в бутоне за 1 сут до начала цветения, тогда как образование эндосперма происходит только после оплодотворения центральной клетки примерно через 1 сут после опыления, т.е. имеет место псевдогамия.
Активизация яйцеклетки к делению сопровождается изменением ее морфологии: клетка приобретает более округлую форму, исчезает микропилярная вакуоль, ядро занимает центральное положение (рис.1, а). Как это свойственно клеткам, находящимся на стадии профазы митоза, в ядре становятся видимыми нити хроматина.
В соцветии семязачатки развиваются асинхронно. В связи с этим к началу цветения в некоторых зародышевых мешках все еще присутствуют неподелившиеся яйцеклетки. При формировании в одном семязачатке нескольких мегагаметофитов к моменту опыления они также могут находиться на разных стадиях развития. Так, в разгар цветения в части семязачатков (6.4%) рядом с зародышевым мешком, в котором протекает автономный эмбриогенез, располагается мегагаметофит с интактной яйцеклеткой, а в единичных случаях -двух- или четырехъядерный зародышевый мешок.
Более того, даже в пределах одного мегагаме-тофита эмбриологические процессы не всегда синхронизированы. В случае образования в зародышевом мешке вместо синергид дополнительных яйцеклеток последние могут неодновременно приступить к партеногенетическому развитию. Об этом свидетельствует наличие в мегагаметофите двух или трех проэмбрио, отличающихся друг от друга размером и числом составляющих их клеток, а также присутствие рядом с зародышами интакт-ных яйцеклеток (рис. 1, б).
Таким образом, вследствие асинхронности различных процессов, протекающих в генеративной сфере, к началу цветения в соцветии остается небольшая часть женских гамет, которая способна в случае оплодотворения сформировать зиго-тический (половой) зародыш (рис. 2). Сочетание разных способов репродукции возможно не только в пределах одного растения, но и внутри одного семязачатка. Мы наблюдали ситуацию, когда в двух соседних зародышевых мешках одного семязачатка реализовались разные варианты развития как зародыша, так и эндосперма. В зародышевом мешке, где к моменту проникновения пыльцевой трубки уже присутствовал партеноге-нетический проэмбрио, оба спермия приняли участие в оплодотворении центральной клетки (рис. 3). Полярные ядра здесь были слившимися. В другом зародышевом мешке имело место двойное оплодотворение: была отчетливо видна зрелая зигота и спермий в одном из неслившихся полярных ядер.
I
60 50 40 30 20 10 0
Рис. 2. Соотношение зародышевых мешков с разными стадиями партеногенетического развития в одном соцветии Poa pratensis.
По оси абсцисс: 1 - зрелые бутоны; 2, 3 - через 1 и 2 сут после начала цветения соответственно. По оси ординат - количество зародышевых мешков, %. Стадии развития: (□) - яйцеклетки; проэмбрио: (н) -2-8-клеточные, (и) - 9-16-клеточные, (□) - 17-32-клеточные, ( ) - >32 клеток.
Ряд фактов указывает и на возможность одновременного формирования партеногенетического и зиготического зародышей внутри одного ме-гагаметофита. Как отмечалось ранее, к моменту опыления в некоторых зародышевых мешках (2.2%) рядом с автономным проэмбрио располагались интактные дополнительные яйцеклетки. Через 1 сут от начала цветения мы наблюдали случаи контакта спермиев с подобными яйцеклетками.
Асинхронность эмбриологических процессов (разное время созревания семязачатков и начала гаметофитогенеза и эмбриогенеза) является, на наш взгляд, одним из механизмов, позволяющих популяции одновременно производить и половое, и апомиктичное потомство. Сочетание разных способов воспроизведения дает возможность, с одной стороны, сохранять исходные генотипы материнских растений, а с другой, за счет рекомбинации и оплодотворения создавать новые генетические комбинации. Огромный адаптивный потенциал факультативных апомиктов многие исследователи связывают именно с их способностью использовать преимущества разных способов репродукции (Петров, 1979, 1988; Грант, 1984).
Развитие зиготических зародышей у злаков осуществляется согласно особому, присущему только данной таксономической группе, типу Graminad. Он характеризуется заложением наклонных ("косых") перегородок по отношению к продольной оси зародыша. В результате уже на самых ранних стадиях развития проэмбрио имеет дорсовентральное строение (Батыгина, 1997). Проведенное исследование показало, что ранние
Рис. 3. Разные варианты развития зародыша и эндосперма в двух соседних зародышевых мешках из одного семязачатка Poa pratensis: а, б - фотографии одного препарата, сделанные в разных плоскостях; в - реконструкция зародышевых мешков. Пр - проэмбрио; ПТ- пыльцевая трубка, Зиг - зигота, ЯСп - ядра спермиев. Масштаб: 0.05 мм
этапы эмбриогенеза партеногенетических зародышей мятлика лугового, как правило, проходили строго в соответствии с типом Graminad. В то же время встречались зародыши (9.5%) с нарушением последовательности клеточных делений или неправильным заложением клеточных перегородок (рис. 1, в, г).
В ходе первого деления яйцеклетки фрагмо-пласт иногда закладывался не наклонно, а горизонтально (1.9%) или вертикально (0.4%). Аналогичные аномалии сопровождали и последующие деления клеток проэмбрио.
В норме у злаков зигота делится на две клетки нерав
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.