Структурная ботаника

Сейлова Л.Б., Джексембиев Р.К.

Казахский национальный педагогический университет им. Абая,

Казахский национальный женский педагогический институт

(Алматы, Республика Казахстан)

Апогаметия у растений-апомиктов сахарной свеклы

Апогаметия, или апогамия, является одним из механизмов апомиксиса, при

котором в женском гаметофите зародыши способны развиваться из любых, кроме яйцеклетки, его клеток. Возникновение же проэмбрионов из собственно яйцеклетки называется партеногенезом.

Термин «апогамия» нам знаком по монографии Х.Винклера «Партеногенез и апогамия в царстве растений», вышедшей в 1908 году и ставшей первым обобщающим исследованием форм апомиксиса и путей их возникновения [1]. Синоним апогамии “апогаметия “впервые в научную литературу ввели немецкие ботаники О.Раннер [2] и А.Эрнст [3]. Оба термина на равных используются в современных публикациях по апомиксису.

Апогаметия бывает синергидной и антиподальной. Она довольно широко распространена в природе и к настоящему времени обнаружена: синергидная – у 140 видов 56 семейств двудольных растений и 83 видов 19 семейств однодольных; антиподальная – у 10 видов 5 семейств двудольных и 17 видов из 9 семейств однодольных растений [4,5].

Тип апогаметии зависит от того, какие из клеток – синергиды или антиподы - участвуют в ее образовании. Те и другие являются потенциальными после яйцеклетки гаметами, утратившими в процессе эволюции способность к оплодотворению, но изредка проявляющие склонность к самостоятельному формированию зародышей [6,7]. У сахарной свеклы обе разновидности апогаметии обнаружены у диких сородичей этой культуры – видов секции Corollinae - Beta lomatogona и B.trigyna [8]; только антиподальная выявлена у форм свеклы с генной и цитоплазматической мужской стерильностью, а также у инбредных линий с факультативным апомиксисом [9,10].

Материал и методы. Объектом исследований послужила диплоидная (2n=18) сростноплодная, факультативно - апомиктическая линия сахарной свеклы, эмбриогенез которой изучали на интактных семяпочках, фиксированных в растворе Карнуа (этанол + ледяная уксусная кислота, 3:1) и спирт-хлорофор-

менной смеси (2:1), начиная с 1-2 суток до кастрации и в течение 10-20 дней после кастрации цветков. Постоянные препараты готовили по общепринятой методике с последующим окрашиванием пиронином [11]. Структуру интактных семяпочек выявляли с помощью лупы МБС-1, фотосъемки эмбриологических препаратов производили на микроскопе ИЕНАВАЛ при увеличении 3,2х12; 3,2х24; 3,2х40.

Результаты исследований. Сахарная свекла – это двулетнее перекрестно- опыляющееся растение, у которого механизмом поддержания ксеногамии (аллогамии) является генетически обусловленная несовместимость, при которой

растения с функциональными гаметами не завязывают семена от самоопыления.

Для нормальных растений сахарной свеклы характерно наличие в завязи цветка одной битегмальной крассинуцеллятной семяпочки с мощно развитым нуцеллусом. Археспорий свеклы бывает одно- или многоклеточным, формирующиеся из него зародышевые мешки принадлежат обычно Polygonum-типу. В их микропилярном конце располагается яйцевой аппарат (яйцеклетки + две синергиды), в центре - два полярных ядра, в нижней, халазальной, части зародышевого мешка формируются три ромбовидные антиподы.

Грушевидной формы синергиды, называемые иначе вспомогательными клетками, относятся к долгоживущим образованиям, полярные ядра сливаются в одно центральное до оплодотворения, антиподы способны сохранять первоначальную структуру достаточно долго – вплоть до появления глобулярного зародыша. У представителей рода Beta, к которым относится сахарная свекла, имеет место особое развитие нуцеллуса, который по мере накопления в его клетках крахмальных зерен превращается в специфическую питательную ткань – перисперм, характерную для представителей порядка центросеменных (Centrospermae).

Зародышевые мешки обычной свеклы достигают окончательного развития за 1-2 дня до начала цветения и сохраняют первоначальную структуру в течение 7-8 дней. При отсутствии оплодотворения первыми дегенерируют синергиды, становящиеся по мере углубления процесса бесцветными образованиями неопределенной формы. Чуть позднее лизируют антиподы, яйцеклетка способна быть функциональной до10 и более дней.

Эмбриогенез у сахарной свеклы протекает по типу маревых (Chenopodiaceae), возникающая в результате сингамии зигота развивается далее при наличии в зародышевом мешке нескольких ядер эндосперма, как правило, нуклеарного.

В процессе своего развития зиготический зародыш проходит обычные для свеклы стадии морфогенеза – булавовидную, шаровидную, сердцевидную и “торпеды”. В зрелом семени (на 20-й день развития) зародыш дугообразно охватывает находящийся в центре семяпочки нуцеллус, от эндосперма остаются только два ряда клеток на периферии первичного корешка.

Апомиксис у сахарной свеклы может быть 1) гаметофитным, когда зародышевые мешки возникают из клеток археспория (диплоспория) или ядра семяпочки (апоспория), и 2) спорофитным, при котором адвентивные проэмбрионы являются продуктом жизнедеятельности нуцеллуса. Наличие эндосперма в зародышевых мешках является одним из необходимых условий для нормального развития апомиктических зародышей на самых ранних этапах их становления, позднее функция питания переходит к перисперму.

У изученной нами апомиктической линии к моменту раскрытия бутонов 53,3 % зародышевых мешков археспориального происхождения были обычными, 7-клеточными, но с весьма оригинальной структурой. В их яйцевом аппарате, состоящем из яйцеклетки и двух синергид, наблюдалось не совсем типичное расположение этих элементов относительно друг друга: яйцеклетка находилась на лежащих рядом синергидах, а не между ними, как это имеет место в норме. Подобное явление обнаружено у свеклы впервые. У основной массы растений линии в закрытых бутонах за сутки до кастрации цветков апомиксис проявлялся в виде самостоятельно делящихся яйцеклеток,

дающих затем партеногенетические зародыши. На 2–4 сутки после кастрации большая их часть достигала стадии 10-20 клеток. Располагающиеся за яйцеклеткой довольно крупные синергиды проявляли признаки высокой функциональной активности.

В зародышевых мешках 25% растений была замечена синергидная апогаметия в форме 10-12-клеточных проэмбрионов. Нам не удалось выявить характер митотических делений при их формировании, однако считается, что они развиваются по типу яйцеклетки, т. е. партеногенетически [12]. Первое деление проходит поперечно с образованием горизонтальной перегородки, последующие - приводят к зародышам обычной для свеклы конфигурации.

У отдельных растений анализируемой линии были замечены синергидные проэмбрионы, находящиеся на стадии более чем 10-12 клеток: при просмотре интактных семяпочек в микропилярном районе их зародышевых мешков была обнаружена полиэмбриония, в образовании которой принимали участие не только синергидные, но и партеногенетические зародыши.

Что касается антипод, то эти клетки, как известно, помимо способности к партеногенезу, обладают также секреторной функцией, служат источником запасных питательных веществ, участвуют в передаче метаболитов из нуцеллуса в центральную клетку – продукт слияния полярных ядер. Исследования ультраструктуры антипод у рудбеккии, лилии и других растений подтвердили их тенденцию к превращению в зародыши [13]. Показано, что на апикальных концах этих клеток отсутствует полисахаридная оболочка, поэтому контакт со вторичным ядром зародышевого мешка здесь осуществляется исключительно плазмалеммами. У растений – амфимиктов это обеспечивает свободное продвижение мужских спермиев к женским клеткам, у апомиктически размножающихся растений антиподальные клетки приобретают способность к самостоятельному развитию без оплодотворения.

Данные литературы свидетельствуют о том, что при апомиксисе антиподы, обычно дегенерируют, но в ряде случаев замечено их митотическое деление с образованием бесформенных комплексов клеток без признаков последующей дегенерации. В то же время наблюдались случаи развития зародышей этого типа до глобулярной стадии [14,15].

У изученной линейной свеклы ромбовидные антиподы располагались в халазальном конце зародышевого мешка, их ядра были крупными и включали иногда до 7 мелких ядрышек. Большая часть антиподальных клеток имела тенденцию к дальнейшему эмбриональному росту. Делясь митотически, они продуцировали как неорганизованную эмбриональную массу, так и зародыши двух типов – в виде рыхлых глобулярных образований с гигантскими ядрами и структур удлиненной формы с более мелкими ядрами. Те и другие также служили источниками полиэмбрионии и часто соседствовали с располагающи-

мися здесь же нуцеллярными (адвентивными) зародышами. Следует, однако, заметить, что у сахарной свеклы, как и многих других апомиктов, синергидные и антиподальные проэмбрионы никогда не достигали полной зрелости и в процессе развития рано или поздно погибали.

Главной причиной их дегенерации безусловно явилось отсутствие эндосперма, осуществляющего функцию питания зародышей на всех этапах их развития, но особенно значимого на самых ранних. Во всех без исключения археспориальных зародышевых мешках апомиктической свеклы отсутствовало деление вторичного (центрального) ядра с последующим эндоспермогенезом. Отсутствие необходимого питания и явилось причиной гибели многочисленных партеногенетических зародышей, а частое обнаружение зародышей из синергид и антипод только на ранних стадиях наглядно свидетельствует о весьма ограниченных возможностях последующего полноценного развития этих клеток. Однако, на наш взгляд, если бы апогаметийные зародыши просуществовали несколько дольше, они возможно могли бы достигнуть нормальной зрелости, поскольку у сахарной свеклы на более поздних этапах развития семяпочки возникает перисперм - иная, чем эндосперм, питательная ткань, возникающая не в результате двойного оплодотворения, а путем накопления крахмальных зерен в клетках нуцеллуса.

Литература

1. Winkler H. Uber Parthenogenesis und Apogamie im Pflanzen-reiche // Progressus rei Botanicae. Jena, 1908. Bd 2. S.293-454.

2. Renner O. Zur Terminologie des Pflanzlichen Generation-swechsels // Biol. Zbl. 1916. Bd 36. S.337-374.

3. Ernst A. Bastardirung als Ursache der Apogamie im Pflanzen-reich. Jena, Gustav Fischer, 1918. 665 s.

4. Солнцева М.П. Проблемы апогаметии //Ботанич. ж. 1999. Т.84, №8. С.1-23.

5. Батыгина Т.Б., Виноградова Г.Ю. Феномен полиэмбрионии. Генетическая гетерогенность семян // Онтогенез, 2007. Т.38, № 3. С.166-191.

6. Поддубная-Арнольди В.А. Цитология покрытосеменных растений: основы и перспективы. М.: Наука, 1976. 508 с.

7. Batygina T.B. Embryoidogeny // Embryology of flowering plants. Terminology and concepts. V.2. Seed. Enfield, Plemouth: Sci. Publ., 2006. P. 403-409.

8. Jassem B. Apomixis in the genus Beta //Apomixis Newsletter. 1990. № 19.

P.7-23.

9. Ширяева Э.И., Ярмолюк Г.И., Кулик А.Г., Червякова В.В. Апомиксис у самоопыленных линий сахарной свеклы и его использование в селекции на гетерозис // Цитология и генетика. 1989. Т. 24, № 3. С.39-44.

10. Богомолов М.А. Особенности использования апомиксиса у сахарной свеклы при создании исходного материала // Сахарная свекла. 2008, № 5. С.3-6.

11. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос, 1982. 256 с.

12. Наумова Т.Н. Апомиксис и амфимиксис у цветковых растений // Цитология и генетика. 2008. Т.42, № 3. С.51-63.

13. Плющ Т.А., Банникова В.П. Ультраструктура зародышевого мешка Rudbeckia hirta // Ботанический журнал. 1984. Т.34, № 7. С.932-939.

14. Pajak M. Antipodal egg and apogamety in Rudbeckia L. // Apomixis Newsletter. 1998. № 10. P.11-14.

15. Wojciechowicz M., Strzellcka K. Antipodal embryos formation in Allium odorum // VIII Conf. оf Plant embryologists. Gdansk, 1997. P.97.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

1. СЕЙЛОВА ЛАУРА БАЙМУРЗАЕВНА – Казахский национальный педагогический университет им. Абая, доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники и зоологии

Почтовый адрес – Казахстан, г.Алматы. 050002. Ул. Жибек Жолы, 54, квартира 49. E-mail: ike@land.ru

2. ДЖЕКСЕМБИЕВ РЫСМАХАМБЕТ КОНЫРОВИЧ – Казахский национальный женский педагогический институт, кандидат биологических наук, заведующий кафедрой биологии

На конференцию «КЛЮЧЕВЫЕ АСПЕКТЫ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

Дорогая редакция!! Обращаюсь к ВАМ с просьбой выслать (если это возможно) по Е-mail перечень всех интернет–конференций, которые будут иметь место и далее в этом году, хотя бы в первом его полугодии.

С уважением, проф. Л.Б.Сейлова