научная статья по теме АНДРОКЛИННЫЙ ЭМБРИОИДОГЕНЕЗ IN VITRO ЗЛАКОВ Биология

Текст научной статьи на тему «АНДРОКЛИННЫЙ ЭМБРИОИДОГЕНЕЗ IN VITRO ЗЛАКОВ»

УДК 633.11:581.143.5

АНДРОКЛИННЫЙ ЭМБРИОИДОГЕНЕЗ IN VITRO ЗЛАКОВ © 2014 г. О.А. Сельдимирова, Н.Н. Круглова

Институт биологии Уфимского научного центра РАН, Уфа E-mail: seldimirova@anrb.ru

Обсуждаются аспекты формирования и развития андроклинных эмбриоидов злаков в условиях культуры in vitro. Дана морфологическая и цитогистологическая характеристика этапов развития эмбриоидов, обсуждаются возможные способы формирования паттернов в процессе эмбриоидоге-неза. Проанализированы некоторые факторы, контролирующие морфогенез in vitro андроклинных эмбриоидов злаков.

Ключевые слова: культура in vitro, морфогенез, андроклиния, эмбриоид, злаки.

ВВЕДЕНИЕ

Биологический феномен андроклинии состоит в переключении программы развития гаплоидной клетки пыльника с обычного гаметофитного пути, ведущего к образованию пыльцевого зерна, на иной - спорофитный - путь формирования ра-стения-регенеранта. Один из путей морфогенеза гаплоидной клетки пыльника по спорофитной программе в культуре in vitro - эмбриоидогенез -формирование эмбриоида (зародышеподобной структуры) и последующая регенерация из него растения (Круглова и др., 2005). Вопросы, посвященные пониманию механизмов смены гаплоидными клетками пыльника программы развития, представляют большой интерес как с теоретической точки зрения (проблема онтогенеза), так и с практической (разработка инновационных гаплоидных технологий), особенно, в отношении хозяйственно-ценных злаков.

Цель данной статьи - провести анализ работ, посвященных изучению формирования андрок-линных эмбриоидов злаков и дать оценку современного состояния исследований в этой области. Следует отметить, что в публикациях по анализируемой теме отсутствуют унифицированные термины (Круглова, 2009б), поэтому мы будем приводить тот термин, который использует автор рассматриваемой статьи.

ИНИЦИАЛЬНЫЕ КЛЕТКИ АНДРОКЛИННЫХ ЭМБРИОИДОВ ЗЛАКОВ

Многочисленными экспериментальными исследованиями злаков показано, что эффективность андроклинного эмбриоидогенеза во мно-

гом определяется еще до инокуляции пыльников на культуральную среду in vitro. Основными факторами здесь являются: генотип донорного растения, стадия развития гаплоидной клетки пыльника, предобработка пыльников, гормональный состав питательной среды. Обзоры публикаций на эти темы даны в ряде следующих работ (Круглова и др., 1999; 2000; Babbar et al., 2004; Круглова и др., 2005; Datta, 2005; Maraschin et al., 2005a; Круглова, Куксо, 2006а-в; Oleszczuk et al., 2006; Shariatpanahi et al., 2006; Forster et al., 2007; Segui-Simarro, Nuez, 2008; Батыгина и др., 2010; Dunwell, 2010; Ferrie, Caswell 2011; Germana, 2011; Islam, Tuteja, 2012).

Рассмотрим подробнее только один, но важнейший, на наш взгляд, фактор - статус той гаплоидной клетки пыльника, которая в условиях культуры in vitro дает начало эмбриоиду (иначе говоря, инициальной клетки андроклинного эмбриоида). По отношению к злакам достоверно установлено, что такой инициальной клеткой является микроспора в сильновакуолизированной фазе развития (согласно периодизации развития пыльника (Круглова, 1999)), морфогенетически компетентная к переключению с гаметофитной программы развития на спорофитную (Круглова и др., 2000; Круглова, 2001, 2002; Круглова, Батыгина, 2001; Babbar et al., 2004; Круглова и др., 2005; Clement et al., 2005; Datta, 2005; Maraschin et al., 2005a; Круглова, Куксо, 2006б; Segui-Simarro, Nuez, 2008; Батыгина и др., 2010; Germana, 2011; Guasmi et al., 2013). Способность такой микроспоры к смене программы развития определяется ее цитологическими особенностями: интерфазным состоянием, структурным сходством с зиготой растений и высоким уровнем транскрипционной активности

ядра (Круглова, 2001; Batygina, Vasilyeva, 2003). Высказано мнение, что фаза "сильновакуолизиро-ванная микроспора" соответствует одной из критических стадий развития пыльника как сложной интегрированной системы (Круглова, 2001, 2002; Batygina, 2002; Batygina, Vasilyeva, 2003; Круглова и др., 2005; Батыгина и др., 2010). Кроме того, сильновакуолизированная микроспора обладает всеми признаками физиологической тотипотент-ности (в понимании Т.Б. Батыгиной (1987, 1993) и Р.Г. Бутенко (1999).

Сильновакуолизированную микроспору следует рассматривать и в аспекте проблемы, так называемой, стволовой клетки. Большинство авторов, допускающих наличие стволовых клеток у растений, в качестве таковых рассматривают часть клеток апикальных меристем побега и корня, т.е. осевых органов (Иванов, 2003). Существует точка зрения (Батыгина и др., 2004; Батыгина, Рудский, 2006), что образование стволовых клеток растений характерно для всех органов (цветок, стебель, лист, корень) и на всех этапах жизненного цикла (спорофит, гаметофит). В частности, как полагают исследователи, стволовые клетки в пыльнике характеризуются: определенной степенью тотипотентности, длительным пребыванием в интерфазе перед переходом к пролиферации посредством асимметричных делений и способностью к переключению программы развития. С этих позиций, на наш взгляд, есть основания рассматривать сильновакуолизированную микроспору как стволовую клетку, для которой характерны все выше перечисленные свойства. Особенное звучание приобретает морфогенетическая компетентность сильновакуолизированной микропоры к переключению программы развития с гаметофитной на спорофитную, т.е. способа репродукции с полового (в естественных условиях in planta) на бесполый (в экспериментальных условиях in vitro).

Большинство исследователей рассматривают предварительное стрессовое воздействие на пыльники или изолированные микроспоры как принципиальную необходимость индукции андроклин-ного эмбриоидогенеза (Белинская, 2005; Круглова и др., 2005; Datta, 2005; Maraschin et al., 2005a; Oleszczuk et al., 2006; Круглова, Куксо, 2006а-в; Shariatpanahi et al., 2006; Zur et al., 2009; Батыгина и др., 2010; Игнатова, 2011; Germana, 2011; Islam, Tuteja, 2012; Ferrie et al., 2014 и др.). Это хорошо согласуется с рассмотренными выше цитофи-зиологическими особенностями "критической", тотипотентной и, возможно, стволовой клетки -сильновакуолизированной микроспоры. Действие любого стрессового (для злаков, как правило, хо-лодового) внешнего фактора способно нарушить

"динамическое равновесие" этой чрезвычайно активной и "напряженной" клетки и индуцировать ее нетрадиционное спорофитное развитие (Круг-лова, 2001; Круглова, Куксо, 2006а,б).

ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ АНДРО-КЛИННЫХ ЭМБРИОИДОВ ЗЛАКОВ

Формирование эмбриоида начинается со структурных изменений стресс-индуцированной сильновакуолизированной микроспоры, которую в данном случае следует назвать эмбриоидогенной (другие авторы такую микроспору некорректно называют эмбриогенной), при этом: вакуоль фраг-ментируется за счет формирования цитоплазмати-ческих тяжей, соединяющих перинуклеарную и периферическую цитоплазму; ядро перемещается в центр клетки, а ядрышки уменьшаются в размерах, хроматин становится компактным; клетка увеличивается в размерах; под спородермой формируется новая клеточная стенка. В результате микроспора деполяризуется и приобретает так называемую звездчатую структуру, описанную во многих модельных системах in vitro, и поэтому рассматриваемую как ранний маркер компетентности микроспоры к эмбриоидогенезу (Indrianto et al., 2001; Babbar et al., 2004; Clement et al., 2005; Datta, 2005; Maraschin et al., 2005a; Круглова, Куксо, 2006а,в; Segui-Simarro, Nuez, 2008; Islam, Tuteja, 2012; Soriano et al., 2013). В то же время некоторые авторы считают, что этот признак нельзя считать надежным маркером развития микроспоры по пути эмбриоидогенеза, так как не всегда микроспоры с такой морфологией формируют эмбриоиды (Maraschin et al., 2005b; Daghma et al., 2012; Zur et al., 2014).

Известно, что в естественных условиях in planta ключевым фактором формирования апи-кально-базальной оси зародыша, и тем самым раннего становления его полярности, служит асимметричный паттерн первого деления зиготы, приводящий к образованию двух неравных клеток (апикальной и базальной) двуклеточного зародыша (Батыгина, 1987; Zhang, Laux, 2011 и мн. др.). Высказано мнение, что и полярность андрок-линного эмбриоида in vitro должна формироваться в результате первого асимметричного деления "инициальной" клетки (Dubas et al., 2011). Однако для злаков установлено, что первое деление микроспоры происходит как правило симметрично с формированием двух равных по объему клеток (Круглова, 2001; Круглова и др., 2005; Aionesei et al., 2005; Segui-Simarro, Nuez, 2008; Pulido et al., 2009; Dubas et al., 2010; Dunwell, 2010; Uva-

kova et al., 2012; Rubtsova et al., 2013; Soriano et al., 2013), хотя имеются немногочисленные данные об асимметричном первом делении микроспоры наряду с симметричным (Indrianto et al., 2001; Tang et al., 2013).

В ходе последующих делений формируется группа клеток, находящихся в пределах неповрежденной спородермы микроспоры. В отличие от жестких, регулярных паттернов клеточных делений, характерных для раннего эмбриогенеза (Батыгина, 1987; Zhang, Laux, 2011), такая группа клеток (многоклеточная структура) возникает, как правило, в результате случайно ориентированных клеточных делений (Круглова и др., 2005). После высвобождения многоклеточной структуры из спородермы микроспоры, наблюдается образование эмбриодермы, что рассматривается как маркер формирования зародыша (Soriano et al., 2013).

Полярность андроклинных эмбриоидов, в отличие от зиготических зародышей, устанавливается поздно, после глобулярной стадии развития (Круглова и др., 2005; Segui-Simarro, Nuez, 2008; Maraschin et al., 2005a; Wrobel et al., 2011; Rubtsova et al., 2013; Soriano et al., 2013). Интересно, что симметричное деление зиготы, позднее становление полярности зародыша и его поздняя гистогенная дифференциация отмечены и in planta у целого ряда видов цветковых растений, располагающихся преимущественно в основании филогенетического древа, поэтому данный тип эмбриогенеза рассматривается как примитивный (Hause et al., 1994).

Все эти данные говорят о том, что асимметричный паттерн первого деления не является необходимой

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»