ОНТОГЕНЕЗ, 2012, том 43, № 4, с. 261-267
= БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ :
УДК 591
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЦИТОМИКСИСА ВЛИЯЕТ НА МИКРОСПОРОГЕНЕЗ
У Sesamum indicum L. (Pedaliaceae) © 2012 г. Г. Кумар, Р. С. Ядав
Кафедра ботаники, лаборатория генетики растений Аллахабадского Университета
Аллахабад 211002, Индия E-mail: ramsyadav.au@mail.com Поступила в редакцию 15.10.10 г.
Окончательный вариант получен 27.02.11 г.
Цитомиксис был обнаружен при микроспорогенезе у растений кунжута (Sesamum indicum L.), относящемуся к семейству Pedaliaceae. Явление цитомиксиса наблюдалось на разных фазах мейоза в растениях из семян, обработанных 0.5% азидом натрия. Цитомиксис проявлялся при образовании цитоплазматических каналов и при непосредственном слиянии материнских клеток пыльцы, причем первый вариант встречался гораздо чаще. Миграция ядерного содержимого от донора к клетке (клеткам)-рецепторам охватывала все хромосомы или часть хроматина. Также наблюдалось некоторое количество совершенно пустых мейоцитов. При обработке азидом в различных концентрациях было выявлено слипание, нарушенное и замедленное движение хромосом, нарушение его ориентации и микроядра. При повышении дозы азида натрия заметно возрастал процент материнских клеток пыльцы, у которых обнаруживались цитомиксис и нарушения хромосом. Цитомиксис приводил к нарушению мейоза, снижению жизнеспособности пыльцы и появлению пыльцевых зерен различного размера.
Ключевые слова: азид натрия, цитомиксис, кунжут, микроспорогенез.
ВВЕДЕНИЕ
Явление миграции ядерного материала от одной материнской клетки пыльцы к другой, известное как цитомиксис, довольно широко распространено в природе и описано у многих видов растений (Kamra, 1960; Heslop-Harrison, 1966; Shnai-der, 1975). Как правило, оно наблюдается в самих материнских клетках пыльцы (Caetano-Pereira, Pa-gliarini, 1997). Чаще всего цитомиксис происходит в профазе первого мейотического деления (Bauchan, 1987; Feijo, Pais, 1995). Несколькими авторами были описаны случаи миграции ядерного содержимого на других фазах мейоза, в том числе и на стадии тетрад (Falistocco и др., 1995). Цитомик-сис характеризуется передвижением хроматина или хромосом между ближайшими мейоцитами через цитоплазматические каналы или межклеточные мостики. Однако в некоторых случаях во время мейоза плазмодесмы сохраняются и увеличиваются в размерах, формируя цитомиктические соединения. Они получили название цитомикти-ческих каналов, их ширина позволяет осуществлять продвижение органелл цитоплазмы, а в некоторых случаях и хроматина (Risueno и др., 1969). Тем не менее сохранность цитомиктических каналов оказывает большое влияние на процесс мейо-за, его конечный результат и в целом на генеративное развитие данного вида. Цитомиксис чаще
встречается у видов с нестабильным геномом, а именно у гаплоидов, анэуплоидов, гибридов, мутантов, триплоидов и апомиктов (Mantu, Sharma, 1983). Известны примеры того, что полиплоидные формы чаще проявляют цитомиксис, чем диплоидные (Basavaiah, 1987; Sheidai, 2007, 2009).
Кунжут (Sesamum indicum L.) — древнее масличное растение, однако пока слабо подвергшееся селекции. Фактически кунжут — сельскохозяйственная культура главным образом развивающихся стран, хотя его выращивают на протяжении от 40° северной широты до 40° южной широты; но в этих странах недостаточно средств для долговременной поддержки исследовательских программ по выведению новых форм. Китай и Индия являются основными производителями кунжута в мире (FAO, 2004). Вместе с тем он не входит в число обязательных культур для международных научных центров растениеводства (IAEA, 2001). Семена кунжута отличаются высоким качеством жиров и белков. Кунжутное масло составляет примерно половину веса семян, оно способно долго храниться, так как содержит природные антиоксиданты, такие как сезамолин и сезамин (Kamal-Eldin, 1995). Тем не менее, кунжут не признают заслуживающим внимания при разработке исследовательских программ.
Действие 0.5% азида натрия на различные показатели у растений кунжута
Дозы обработки Число изученных материнских клеток пыльцы Доля клеток с цито-микси-сом, % Фертильность пыльцы, % Хромосомные аномалии, %
Слипание Задержанное расхождение Нарушение ориентации Унива-ленты Мостики Квадри-валент Микроядра Другие аномалии
Контроль 178 0.6 98.00 - - - - - - -
3 ч 186 3.8 84.4 2.0 - 1.2 1.4 - - 2.5 0.6
5 ч 159 5.4 76.2 2.9 1.1 1.8 1.6 - 0.5 3.7 0.8
7 ч 165 9.2 66.6 3.4 1.4 3.1 2.0 0.86 0.8 5.8 1.4
Данная работа посвящена последствиям цито-миксиса в связи с прохождением мейоза и последующей репродуктивной способностью данного вида. Цель исследования — провести сравнительный анализ частоты встречаемости цитомиксиса в материнских клетках пыльцы у растений с мутант-ными фенотипами и изучить особенности его проявления на уровне хромосом, а также возможные генетические причины его возникновения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Семена кунжута были получены из Региональной станции Национального бюро Генетических Ресурсов Растений (Akola, Maharashtra) и Сельскохозяйственного CSA Университета (Canpur).
Обработка семян.
Семена предварительно намачивали в воде, обсушивали фильтровальной бумагой и погружали в 0.5%-ный раствор азида натрия на 3, 5 и 7 ч. Затем семена тщательно промывали водопроводной водой и раскладывали для прорастания в чашки Петри на влажную фильтровальную бумагу. Контрольные и опытные чашки помещали в термостат. Проросшие семена высевали для получения зацветающих растений.
Цитологические исследования.
Цветочные бутоны нужного размера фиксировали в жидкости Карнуа (уксусная кислота : этиловый спирт 1 : 3). Для приготовления давленых препаратов пыльников применяли 2% ацетокармин. В каждой пробе было 3—5 бутонов. Стадии мейоза в пыльниках смотрели у материнских клеток пыльцы на давленых препаратах. Частоту встречаемости цитомиксиса в профазе I определяли в 200— 400 материнских клетках пыльцы из каждого пыльника. Фертильность пыльцы оценивали по окрашиваемости ацетокармином, поскольку стерильная пыльца не окрашивалась, а фертильная была окрашена в красный цвет. Кроме того, отмечали морфологические показатели у изучаемых растений.
РЕЗУЛЬТАТЫ
У растений кунжута цитомиксис охватывал от 2 до 5 материнских клеток пыльцы в виде цитомик-тических каналов. Иногда прилежащие материнские клетки пыльцы соединялись двумя (или больше) слившимися каналами различной ширины. В некоторых случаях они были настолько широкими, что прилегающие мейоциты имели тенденцию к взаимному слиянию, чтобы облегчить перенос хроматина, а иногда происходило даже прямое слияние материнских клеток пыльцы в агрегаты, состоящие из двух и трех клеток (рис. 1Ь и 2и). Спонтанное передвижение хроматина чаще имело место во время мейоза I и очень редко — во время мейоза II, причем более интенсивно на ранних фазах (в лептотене и метафазе I). Миграция хроматина происходила всегда в одном направлении — от донора к клетке-рецептору. В большинстве клеток миграция была неполной и совсем пустые мейоциты встречались очень редко (рис. 2Й). Кроме того были обнаружены случаи соединения цитоплазмы материнских клеток пыльцы на различных фазах мейоза (рис. 2У, 2W и 2Х).
Явление цитомиксиса в материнских клетках пыльцы было изучено в зависимости от длительности обработки семян азидом натрия. Оказалось, что оно гораздо чаще происходит после 7-часовой обработки, чем при более коротких экспозициях (таблица). Судя по частоте встречаемости аномалий мейоза на фазах от пахитены до тетрад, в этом варианте опыта аберрации преобладают. Частота встречаемости аберрантных материнских клеток пыльцы в диплотене/метафазе, анафазе I и анафазе II выше, чем в нормальных материнских клетках пыльцы. Отмечены различные структурные аберрации хромосом. При диакинезе был виден один квадривалент и чаще — два унивалента. В некоторых клетках вместо 13 бивалентов при диакинезе и в метафазе I обнаружено всего 12 бивалентов. Можно также заметить раннее продвижение хромосом вверх и отсутствие движения бивалентов к метафазной пластинке (рис. II и и). В некоторых случаях не присходило расхождения хромосом.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЦИТОМИКСИСА ВЛИЯЕТ НА МИКРОСПОРОГЕНЕЗ 263
Рис. 1 (Л—Ь). Мейоз у растений кунжута. Материнские клетки пыльцы на различных фазах мейоза.
A. Материнская клетка пыльцы в норме, содержащая 13 хромосом.
B. Метафаза I в норме.
C. Вторичная ассоциация в метафазе I.
D. Анафаза I в норме.
E. Слипание в анафазе I.
Е Нарушение ориентации в анафазе I.
G. Миграция ядерного материала к периферии клетки.
H. Нарушение ориентации в анафазе I.
I. Образование мультивалентов.
J. Замедленное движение в метафазе I.
К. Слипание в анафазе I с задержкой расхождения к полюсам. Ь. Слияние клеток, видны микроядра.
Рис. 2 (М—Х). Материнские клетки пыльцы на различных этапах цитомиксиса. М. Цитомиксис в цепочке из трех клеток.
N. Свободная материнская клетка пыльцы с перенесенным ядерным материалом. О. Цитоплазматическая связь между двумя клетками.
Р. Материнские клетки пыльцы, в которых произошел случайный цитомиксис. Q. Клетки на начальном этапе цитомиксиса. R. Миграция через цитомиктический канал. S. Перенос хроматина по широкому каналу. Т Боковой контакт. U. Слияние клеток.
V Образование цепочки клеток в метафазе. W Боковое слияние в метафазе I. X. Цитомиксис на поздней телофазе II.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЦИТОМИКСИСА ВЛИЯЕТ НА МИКРОСПОРОГЕНЕЗ 35 г
30
25
20
15
10
клетки в цитомиксисе (%)
стерильность пыльцы (%)
Контроль 3 Ч
5 ч
7 ч
Рис. 3. Действие 0.5% азида натрия на цитомиксис и стерильность пыльцы у кунжута.
Анафаза I и анафаза II характеризуются замедленным расхождением хромосом к полюсам, наличием мостиков, фрагментов и частичным нарушением ориентации. Во время анафазы I у небольшой части клеток отмечено неравное распределение хроматина. На всех фазах мейоза I и мейоза II часто происходит слипание матрикса хромосом. В результате всех описанных нарушений на различных этапах микроспорогенеза к концу его формируются аномальные микроспоры с микроядрами, что в дальнейшем приведет к развитию пыльцевых зерен, имеющих и разный раз
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.