CC BY
42
УДК 581.163 + 582.623.2
ОСОБЕННОСТИ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ СЕМЕЙСТВА SALICACEAE
Е. В. Угольникова
Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83 e-mail: cat.ugolnikova@yandex.ru
В ходе цитоэмбриологического исследования и исследования семенной продуктивности видов семейства Salicaceae, произрастающих в различных районах Саратовской области, установлена способность к гаметофитному апо-миксису в 5 популяциях 5 видов ив. Для исследованных видов семейства Salica-ceae этот способ размножения отмечен впервые.
Ключевые слова: апомиксис, семенная продуктивность популяции, ци-тоэмбриология, Salicaceae, режимы цветения.
THE PECULIARITIES OF SEEDED REPRODACTION OF SOME SPECIES OF SALICACEAE FAMILY
E. V. Ugolnikova
During the cytoembriological investigation and the research of seed productivity of the species of Sаlicaceae family, growing in the different areas of Saratov region the ability of gametophyte apomixic was found out in 5 populations of 5 species of willows. This way of seeded reproduction of Sаlicaceae family was noticed for the first time.
Key words: apomixis, seed productivity of population, cytoembryology, Salicaceae, regime of flowering.
Степень изученности цветковых в отношении распространения у них гаметофитного апомиксиса по-прежнему остается недостаточной. В частности, мы имеем довольно фрагментарные сведения об апомиксисе ивовых (Salicaceae), которые датируются 1930 гг. (Федорова-Саркисова, 1931; Бекетовский, 1932). Целью нашего исследования является установление частоты и форм апомиксиса у видов семейства Salicaceae по признакам развития мегагаметофита без оплодотворения. В списке С. С. Хохлова с соавт. (1978) в качестве апомиктичных указано несколько видов рода, для которых установлен автономный апомиксис, однако его форма цитоэм-бриологически не исследована. Но способность к гаметофитному апомик-сису у исследованных нами видов ив ранее не обнаруживалась.
Полученный в ходе исследований материал послужит основой для более глубокого и всестороннего эмбриологического, морфологического, цитологического, генетического, биосистематического и иного изучения и выявления общих закономерностей происхождения, роли в природе и места апомиксиса в эволюции растений (Хохлов и др., 1978).
Материал и методика
Гаметофитный апомиксис идентифицировали по материалам, собранным в 2010 г. в различных районах Саратовской области в популяции S. acutifolia Willd. - Ива остролистная, или Верба (Лысогорский район, окрестности с. Урицкое), S. caprea L. - Ива козья, S. triandra L. - Ива трехтычинковая (Красноармейский район, окрестности с. Н. Банновка), S. cinerea L. - Ива пепельная (Марксовский район, окрестности с. Волко-во), S. Vinogradovii A. Skvorts - Ива Виноградова, или пурпурная (Крас-нокутский район, окрестности с. Дьяковка).
Исследовали семенную продуктивность растений в популяциях при двух режимах цветения: свободном цветении и беспыльцевом режиме цветения. Для анализа завязываемости семян в условиях беспыльцевого режима до начала цветения соцветия с женскими цветками помещали под пергаментные изоляторы до полного созревания семян. Гаметофитный апомиксис диагностировали на основе сравнительных данных о семенной продуктивности растений при свободном опылении и беспыльцевом режиме (Кочанова, Кириллова, 2010). Частота завязываемо сти семян при свободном цветении или при беспыльцевом режиме цветения вычислялась как процентное отношение числа выполненных семян к общему числу цветков в соцветии.
Исследуемый материал подвергали дополнительному эмбриологическому контролю. Структуру зрелых зародышевых мешков исследовали на микроскопических препаратах, приготовленных с использованием метода просветления семязачатков (Herr, 1971). О частоте апомиксиса судили по частоте встречаемости в семязачатке клеток, морфологически подобных апоспорическим инициалям, и зародышевых мешков с признаками развития зародыша и (или) эндосперма без оплодотворения (Уголь-никова, Кашин, 2010).
По каждой популяции исследовано по 30 растений, отобранных случайным образом.
Результаты и их обсуждение
В исследованных популяциях Salicaceae при свободном цветении отмечена высокая семенная продуктивность (55-83%), а в условиях беспыльцевого режима семена завязались лишь в популяции S. acutifolia Willd. (табл. 1).
Таблица 1. Семенная продуктивность исследованных видов сем. Salicaceae Саратовской области
№ Вид Частота завязываемости семян при цветении, %
при свободном цветении при беспыльцевом режиме цветения
1 S. acutifolia Willd. 55,61±4,93 7,15±1,64
2 S. caprea L. 82,70±3,55 0,0
3 S. triandra L. 70,34±2,73 0,0
4 S. cinerea L. 68,22±3,60 0,0
5 S. Vinogradovii A. Skvorts 69,18±3,23 0,0
В остальных случаях семенная продуктивность ив при данном режиме цветения была равна нулю. В этих случаях либо изолированное соцветие осталось на стадии выброшенных рылец (S. triandra L.), либо произошло созревание плодов, но не завязалось ни одного семени (S. caprea L.), либо завязалось незначительное количество апомиктичных семян, не влияющее на статистику в целом (S. cinerea L., S. Vinogradovii A. Skvorts).
Для подтверждения данных о семенной продуктивности нами было проведено цитоэмбриологическое исследование мегагаметофита данных видов ив (табл. 2). У вербы был проанализирован 281 зародышевый мешок, у козьей ивы - 468, у пепельной ивы - 356, у ивы Виноградова - 658, у трехтычинковой ивы - 535 зародышевых мешков.
Таблица 2. Структура мегагаметофитов ив в исследованных популяциях
Зародышевые мешки (ЗМ) нормального строения, % е Явление апомиксиса, %
Название вида Дегенерировавши ЗМ, % Проэмбрио Эндосперм Обе структуры Клетки, подобные апоспорическим инициалям
S. acutifolia Willd. 58,72 7,83 6,05 1,78 3,91 21,71
S. caprea L. 76,92 3,0 0,0 0,0 0,0 27,14
S. triandra L. 95,14 0,0 0,37 0,0 0,0 4,48
S. cinerea L. 98,59 0,28 0,0 0,0 0,28 0,84
S. Vinogradovii A. Skvorts 79,94 0,91 1,67 0,0 0,0 10,64
Результаты цитоэмбриологических исследований подтвердили способность к гаметофитному апомиксису у 5. acutifolia Willd., у которой она была обнаружена в ходе исследования семенной продуктивности
при беспыльцевом режиме цветения. В популяции обнаружено более 6% случаев развития яйцеклетки без оплодотворения и более 21% случаев присутствия в семязачатке рядом с эуспорическим зародышевым мешком или тетрадой мегаспор клеток, морфологически подобных апо-спорическим инициалям. Также выявлено развитие центральной клетки без оплодотворения - 1,78%, и одновременно с развитием проэмбрио -3,91%.
Кроме того, в ходе проведенного анализа у S. caprea L., S. Vinogra-dovii A. Skvorts также выявлены цитоэмбриологические признаки гаме-тофитного апомиксиса, к числу которых относятся преждевременная эмбриония и присутствие в семязачатке апоспорических инициалей. Интересно отметить, что зародышевые мешки этих двух видов ив после достижения ими половозрелой стадии почти стопроцентно деградировали в отсутствие оплодотворения. Лишь небольшой процент неоплодо-творенных яйцеклеток получил развитие у ивы Виноградова (1,67%). Но на ранних стадиях развития зародышевого мешка в семязачатке довольно часто встречались апоспорические клетки (более 10% у S. Vinogradovii). Самый большой процент присутствия в семязачатках апоспорических инициалей наблюдался у козьей ивы (более 27%). Данные цитоэмбри-ологических исследований этих двух видов противоречат результатам исследования семенной продуктивности, где они вели себя как облигат-но амфимиктичные. Это говорит о том, что наличие эмбриологических признаков апомиксиса не гарантирует его полную реализацию на уровне производства семян (Угольникова, Кашин, 2010).
У S. triandra L. отмечен лишь небольшой процент присутствия рядом с эуспорическим зародышевым мешком или тетрадой мегаспор клеток, морфологически подобных апоспорическим инициалям (4,48%), и всего 2 случая развития зародыша без оплодотворения, что составило менее 1%.
У S. cinerea L. отмечено такое незначительное количество признаков апомиксиса (3 случая обнаружения апоспорческих инициалей и 1 случай развития яйцеклетки и центрального ядра без оплодотворения), что этот вид можно считать облигатно амфимиктичным, так как для него подтвердились данные о семенной продуктивности.
Рассматривая апоспорию, встречающуюся у ив, можно отметить интересные закономерности.
Клетки, подобные апоспорическим инициалям, у S. acutifolia встречались с одинаковой частотой на разных стадиях развития зародышевого мешка. У S. triandra случаи обнаружения апоспории крайне редки и отмечены только на самых ранних стадиях развития зародышевого мешка
(1-2-ядерная стадия). У S. сaprea все апоспорические клетки присутствовали на ранних стадиях развития зародышевого мешка (1-8-ядерная стадия). У S. Vinogradovii в 78,6% случаев апоспорические клетки были обнаружены на стадии 8-ядерного и дифференцированного зародышевого мешка, а в 21,43% - на стадиях 1-4-ядерного зародышевого мешка.
Что касается локализации в семязачатке клеток, морфологически подобных апоспорическим инициалям, здесь можно отметить интересный момент (табл. 3). Анализируя данные, мы обнаружили некоторую закономерность в локализации апоспорических клеток в семязачатке.
Таблица 3. Расположение в семязачатке клеток, морфологически подобных апоспорическим инициалям, %
Вид У микропилярного конца зародышевого мешка У халазального конца зародышевого мешка В тапетуме семяпочки В интегументе семяпочки
S. acutifolia Willd. 80,33 1,64 16,14 1,64
S. caprea L. 7,75 1,55 86,05 4,65
S. triandra L. 12,50 0,0 75,00 12,50
S. cinerea L. 100,00 0,0 0,0 0,0
S. Vinogradovii A. Skvorts 4,22 66,20 29,60 0,0
Абсолютное большинство апоспорических клеток, обнаруженных в семязачатке S. ücutifolia, локализовались у микропилярного конца зародышевого мешка (более 80%), по одной инициали отмечено у халазаль-ного конца зародышевого мешка и в интегументе семяпочки, что составило по 1,64%. И 16,4% инициалей обнаружено в тапетуме семязачатка.
Для S. cinerea отмечено всего 3 апоспорических клетки, расположенных у микропиле зародышевого мешка.
Апоспорические инициали S. caprea в основном локализованы в та-петуме семяпочки (86,05%), и лишь незначительное их количество обнаружено в других зонах.
Для S. Vinogradovii также выявлена закономерность в расположении апоспорических клеток. Здесь большинство (66,20%) клеток локализованы у халазального конца зародышевого мешка, небольшой их процент отмечен в тапетуме семяпочки (29,60%) и всего 3 случая встречи апоспории у микропиле зародышевого мешка, что составило около 4%.
Редкие случаи встречи апоспорических клеток S. triandra в основном отмечены в тапетуме семязачатка (75%).
Таким образом, закономерность в расположении в семязачатке клеток, подобных апоспорическим инициалям, присутствует и выражается
на уровне отдельного вида. Чтобы проверить и уточнить эти данные, нужны дополнительные исследования этих видов ив по годам.
Обобщив и проанализировав цитоэмбриологические данные, мы вычислили потенциальный процент апомиксиса, характерный для каждого из исследованных видов (табл. 4).
Таблица 4. Частота апомиксиса, характерная для исследованных видов сем. Salicaceae
№ Вид Частота апомиксиса, %
1 S. acutifolia Willd. 33,45
2 S. caprea L. 31,30
3 S. triandra L. 4,68
4 S. cinerea L. 1,12
5 S. Vinogradovii A. Skvorts 12,31
В наибольшей степени среди исследованных видов апомиксис, выявленный цитоэмбриологическии методом, характерен для S. acutifolia и S. caprea (более 31%). Небольшой процент отмечен для S. Vinogradovii (12,31%) и совсем незначительный процент подсчитан для остальных.
Как было указано ранее, явление апомиксиса для исследованных видов ив в основном включает в себя клетки, подобные апоспорическим инициалям. Если говорить о S. cinerea, можно отметить, что апоспория, скорее всего, не свойственна данному виду, тогда как для S. acutifolia и S. caprea апоспорические клетки являются основным источником апо-миктичных семян. Для вербы также характерны преждевременная эм-бриония и развитие центральной клетки без оплодотворения.
Выводы
В целом результаты цитоэмбриологических исследований подтвердили способность к гаметофитному апомиксису у S. acutifolia Willd., у которого она была обнаружена в ходе исследования семенной продуктивности при беспыльцевом режиме цветения. Данный вид можно отнести к факультативно апомиктичным видам растений. Результаты исследования семенной продуктивности и цитоэмбриологического исследования остальных видов ив указывают на отсутствие у них выраженного гамето-фитного апомиксиса. Однако речь может идти о том, что или популяции этих видов относятся к облигатно амфимиктичным, или в год наблюдения они вели себя как амфимиктичные. Для окончательного вывода нужны дополнительные исследования.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 08-00-00319).
Список литературы
Бекетовский А. H. К вопросу о партенокарпии Salix alba L., S. capreae L., Populus alba L., Ulmus campestris L. // Бот. журн. СССР. 1932. Вып. 17. С. 358-400.
Кочанова И. С., Кириллова И. М. Особенности семенного размножения в популяциях Antennaria dioica (L.) Gaertn. на юго-восточной границе ареала // Апомиксис и репродуктивная биология : материалы Всерос. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения С. С. Хохлова, 29 сентября-1 октября 2010 г. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2010. С. 166-168.
Кочанова И. С., Лисицкая Н. М., Кашин А. С. Степень распространения гамето-фитного апомиксиса у представителей семейства Asteraceae во флоре Краснодарского края // Апомиксис и репродуктивная биология : материалы Всерос. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения С. С. Хохлова, 29 сентября -1 октября 2010 г. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2010. С. 169-172.
Угольникова Е. В., Кашин А. С. Исследование частоты апомиксиса Salix acutifolia Willd. // Бюл. Бот. сада. СГУ 2010. Вып. 9. С. 181-185.
Федорова-Саркисова О. В. Об апогамии у ив // Тр. Ин-та исслед. по лес. хоз-ву и лес. пром. 1931. Вып. 10. С. 59-63.
Хохлов С. С., Зайцева М. И., Куприянов П. Г. Выявление апомиктичных растений во флоре цветковых растений СССР. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1978. 224 с.
Herr J. M. A new clearing squash technique for the study of ovule development in angiosperms // Amer. J. Bot. 1971. Vol. 58. P. 785-790.
УДК 581.331
КАЧЕСТВО ПЫЛЬЦЫ И ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ МИКРОГАМЕТОФИТА У АНТАРКТИЧЕСКИХ ПОПУЛЯЦИЙ DESCHAMPSIA ANTARCTICA E.DESV.
О. И. Юдакова1, Т. Н. Шакина1, В. С.Тырнов1, В. А. Кунах2, И. А. Козерецкая3, И. Ю. Парникоза2
1 Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83 e-mail: yudakovaoi@info.sgu.ru; shakinatn@rambler.ru 2Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины 03680, Украина, г. Киев, ул. Заболотного, 150; e-mail: kunakh@imbg.org.ua 3Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко 01033, Украина, г. Киев, ул. Владимирская, 64; e-mail: kozeri@gmail.com
В статье представлены результаты цитоэмбриологического анализа качества пыльцы и структуры микрогаметофитов у антарктических популяций Deschampsia antarctica E. Desv. Установлено, что, несмотря на суровые условия обитания, процессы микрогаметофитогенеза у изученных растений про-
