ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2013, № 2, с. 53-63
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630*165.51; 575.174.015.3
СОВМЕСТИМОСТЬ ТКАНЕЙ В ЭМБРИОГЕНЕЗЕ СОСНЫ © 2013 г. М. Г. Романовский, Л. В. Хромова
Институт лесоведения РАН 143030 с. Успенское Одинцовского р-на Московской обл.
E-mail: michrom@ilan.ras.ru Поступила в редакцию 20.09.2011 г.
Внутривидовая совместимость клеток разных особей, поколений стоит в ряду извечных проблем полового размножения. У хвойных мы наблюдаем наследие папоротников - совместимость, определяемую взаимодействием эмбриона и женского гаметофита. Несовместимость зародышей и эндоспермов вызывает гибель эмбрионов и появление пустых семян. Зародыш получает только отцовские пластиды. Материнские пластиды яйцеклетки перед оплодотворением отчуждаются в тельцах Гофмейстера. Два типа пластид присутствуют в популяциях сосны обыкновенной. При несовпадении типа отцовских и материнских пластид зародыш совместим с эндоспермом. Гибель женских гаметофитов второго года до оплодотворения, ведущая к образованию "недоразвитых" семян, не связана с внутривидовой совместимостью. Половина гамет у высокочереззерных сосен не синтезирует копии молекул ДНК в количестве, достаточном для прохождения "распределительной" ценоцитной стадии развития макрогаметофита. Из-за недостаточного уровня политении одной из хромосом в гаплотипе функциональной макроспоры макрогаметофит погибает, не завершив развития. Политения сохраняется в клетках проэмбрио хвойных. В культуре тканей соматический эмбриогенез начинается с образования крупных клеток-трубок, также, вероятно, политенных.
Сосна, перекрестная совместимость, пустосемянность, недоразвитые семена.
Эмбриологический этап развития сосны обыкновенной включает в широком смысле формирование мужских и женских стробилов, микро-и макроспорогенез, образование микро- и мак-рогаметофитов, гаметогенез, оплодотворение и эмбриогенез. Изучение эмбриологического этапа -надежный плацдарм для объяснения причинно-следственного хода событий, завершающихся образованием зрелого семени. Сосна обыкновенная изучена более других видов хвойных, как с точки зрения эмбриологического развития [41, 53, 54], так и статистики семеношения [23, 52]. Удобство исследования генеративной сферы сосны определяется ее специфическими особенностями: естественной подразделенностью роста семяпочек на два этапа - гаметофитный и эмбриональный; контрастом размеров семяпочек до и после оплодотворения; отсутствием партеноспермии (развитие неопыленных семяпочек и стробилов, свойственное другим родам хвойных); редкостью партеноко-нии (развитие зрелых шишек без семян); а также регулярностью семеношения, возможностью ретроспективных оценок урожая шишек, длительностью гаплоидной фазы и высокой надежностью выделения пустых семян по их окраске [23, 34, 52].
Совместимость - несовместимость клеток и тканей мужских и женских, гаплоидных и диплоидных направляет развитие семяпочки сосны от опыления до зрелого семени. Несовместимость - барьер, прерывающий развитие семяпочек. Поэтому важно понять ее причины, хотя бы на уровне гипотезы. У сосны обыкновенной несовместимость выражена появлением пустых семян. Вследствие самонесовместимости множество пустых семян образуется при самоопылении [23, 35 и мн. др.]. В настоящее время общепри-знана гипотеза полулетального происхождения пустосемянности. При комплектации полулета-лей зародыш гибнет, возникает пустое семя [37, 46, 49, 51]. Цель нашей статьи - показать возможность совершенно иного, трофического объяснения пустосемянности, когда эмбрион погибает из-за отсутствия питания, обусловленного несовместимостью.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Статья основана на результатах оригинальных исследований семеношения сосны обыкновенной Pinus sylvestris L., выполненных авторами в
1980-1990 гг. в Московской области и в Украине (Киевская область) [23-27, 34-36]. Данные авторов обсуждаются на фоне анализа обширных литературных источников, посвященных проблеме совместимости (несовместимости) скрещивающихся растений. Как возможные количественные критерии совместимости у сосны рассмотрены пустосемянность [12, 17, 23, 34, 47, 52 и мн. др.] и частота образования недоразвитых мелких семян [11, 16, 26, 52, 56]. Новизну нашей работе придает привлечение данных электронно-микроскопических исследований цитоплазматических факторов совместимости и наследования пластид и митохондрий компонентами скрещивания [1, 19, 29, 30, 37-40, 45, 58], а также данных о политении эмбриологических структур [3, 9, 50]. Ранее в связи с проблемой перекрестной совместимости эти данные не рассматривались.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Механизмы совместимости / несовместимости и их эволюция. У хвойных внутривидовая несовместимость пыльцы с тканями спорофита, столь обычная у цветковых растений [33], не была обнаружена [47]. У сосны обыкновенной успешное формирование мужскими гаметофитами пыльцевых трубок, их совместимость с материнскими тканями нуцеллуса, - необходимое условие развития женского гаметофита, условие оплодотворения. Только в случае успешного развития микрогаметофита образуются пустые и полные семена. У сосны обыкновенной не обнаружено также нарушений сингамии, происходящих с заметной частотой. Это не позволяет говорить о проявлениях несовместимости до оплодотворения или на этапе слияния гамет [23, 31, 34, 42, 52]. Образование пустых семян у сосны является единственным очевидным выражением внутривидовой несовместимости клеток зародыша (ди-плоид 2п) и эндосперма (гаплоид п). Самоопыление как наиболее яркий тест на внутривидовую несовместимость однозначно свидетельствует об ее реализации после оплодотворения, при взаимодействии зародыша с тканями женского гаме-тофита [47]. У цветковых растений этот тип несовместимости как исключение отмечен у какао [33].
Особенности внутривидовой несовместимости хвойных логически вытекают из путей эволюции высших растений и систематического положения голосеменных. У низших растений, бактерий, грибов вопрос совместимости решается на уровне контакта гаплоидных клеток, двух гаметофи-тов: п-п. Разноименные совместимые ("+" и "-")
гаплоидные клетки сливаются, образуя диплоидную спору. Несовместимые одноименные клетки ("+" и "+" или "-" и "-") не сливаются [7, 28 и др.]. Вопрос о контакте гамет с диплоидными клетками (n-2n) вообще не возникает. Его не существовало и у папоротников, у которых спермии контактируют с тканями гаплоидных заростков или с яйцеклеткой. У папоротников вопрос совместимости решается либо при контакте n-n, либо позже, при контакте новой зиготы, зародыша с тканями заростка: 2n-n [57]. Лишь у голосеменных гаплоидные клетки мужского гаметофита вступают в контакт с диплоидными тканями ну-целлуса семяпочек материнского растения n-2n. Однако проявлений несовместимости пыльцы n с тканями нуцеллуса 2n семяпочек у голосеменных не обнаружено, хотя скорость роста отдельных пыльцевых трубок в нуцеллусе сосны различается в 1.5-2 раза (рис. 1, врезка) [15, 23, 24, 34]. Различается и мощность каллозных чехликов, окружающих "свои" и "чужие" пыльцевые трубки и затрудняющих развитие микрогаметофитов in vivo [16]. У псевдотсуги оболочки пыльцевых трубок, прорастающих в нуцеллусе, подвергаются действию ферментных систем спорофита, оболочки "своих" пыльцевых трубок в большей мере деформируются [56]. Ни разу, однако, не
Длина, мкм Число
^^ Месяц
Рис. 1. Удлинение пыльцевых трубок в теле нуцеллуса [15, 23, 24, 34]
а—Ь - I год; Ь—с - период покоя; с—с1 - возобновление роста на II год; с[-е - начало дифференциации архегониев; е-/- период разделения брюшной клетки и яйцеклетки; /—% - ускоренный рост перед оплодотворением (§) 1 - средняя длина пыльцевых трубок; 2 - область варьирования длины. На врезке распределение по длине пыльцевых трубок в период покоя Ь-с.
было отмечено полного подавления роста мик-рогаметофита тканями спорофита. Я. Багуаз считал возможной конкуренцию пыльцевых трубок в тканях нуцеллуса по скорости роста, но не избирательное полное подавление их роста [52]. Эффект предпочтительного использования для оплодотворения чужой пыльцы убедительно показан при опылении гомозиготы пыльцевой смесью "своя - чужая" у Ртт ооп1от1а Doughl.: выход гетерозигот при этом в ~1.5-2 раза превышал ожидание [48].
У голосеменных продолжает работать старый, возникший, вероятно, у папоротников, механизм определения внутривидовой совместимости 2п-п: зародыш - макрогаметофит [23, 24]. Причем у голосеменных контакт пыльцевых трубок с нуцеллусом первоначально был, по-видимому, исключен, и пыльца, попав через микропиле в воронку архегониальной камеры, прорастала в ней. Туда же непосредственно из макрогаметофитов открывались шейки архегониев. Рудиментарные архегониальные камеры в нуцеллусе сохранились у некоторых современных представителей тис-совых и головчатотиссовых, имеющих в каждой семяпочке комплексы архегониев [30, с. 63].
У цветковых растений выяснение внутривидовой совместимости - несовместимости в подавляющем большинстве случаев переносится на момент контакта пыльцевой трубки с тканями материнского растения (п-2п); или даже раньше -пыльцевых оболочек (производных отцовского диплоида) с тканями рыльца (2п-2п) [33].
Внутривидовая несовместимость у хвойных выражается в смертности эмбрионов в период их развития в зародышевой камере (после точки g на рис. 1), как следствие образуются пустые семена. Совместимость (различие) или несовместимость (идентичность) эмбриона и гаплоидного эндосперма определяется у хвойных, по нашему мнению, их трофическим контактом. Зародыш, углубляясь в коррозионную камеру эндосперма, лизирует оболочки клеток по периферии камеры [30, 37, 42, 43, 52 и др.]. Для успешного питания зародыша ему необходимо распознать ткани мак-рогаметофита (эндосперм) как чужие. Если ткань идентифицирована как чужая, срабатывают механизмы разрушения мембран в контактирующих клетках. Неспособность зародыша к питанию генетически родственными клетками, лизируя их оболочки, ведет его к гибели и образованию пустого семени, что и происходит при самоопылении.
Трофическое доминирование зародыша, вероятно, определяется в какой-то мере его пл
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.