CC BY
12
УДК 581.16 + 582.998
ЦИТОЭМБРИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТЫ АПОМИКСИСА У ВИДОВ РОДА CHONDRILLA ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
Е. В. Угольникова, А. С. Кашин, А. О. Кондратьева
Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского Россия, 410010, Саратов, ул. Навашина
E-mail: cat.ugolnikova@yandex.ru, kashinas2@yandex.ru
Поступила в редакцию: 14.08.2016 г.
Цитоэмбриологическое исследование частоты апомиксиса у видов рода Chondrilla Европейской части России. — Угольникова Е. В., Кашин А. С., Кондратьева А. О. - В результате цитоэмбриологического анализа мегагаметофитов Chondrilla выявлено, что растения шести исследованных видов (C. juncea, C. graminea, C. canescens, C. brevirostris, C. latifolia и C. acantholepis) характеризуются способностью к семенному воспроизводству путем апомиксиса. Выявлено, что частота обнаружения цитоэмбриологи-ческих признаков апомиксиса существенно варьирует по годам и на межпо-пуляционном уровне. Установлено, что C. ambigua является облигатно ам-фимиктичным видом, т.к. характеризуется отсутствием мегагаметофитов с маркерными признаками апомиксиса.
Ключевые слова: гаметофитный апомиксис, Chondrilla, цитоэмбриология.
The Cytoembryological Research of Apomixis Frequency of Chondrilla spesies of Europen Part of Russia. - Ugolnikova E. V., Kashin A. S., Kondra-tieva A. O. - As a result of cytoembryological analysis of megagametophytes of Chondrilla it was found out, that the plants of six species examined (C. juncea, C. graminea, C. canescens, C. brevirostris, C. latifolia and C. acantholepis) are characterised by the ability for seed reproduction by apomixis. It was discoverd that the frequency of disclosure of cytoembryological signs of apomixis considerably varies year by year and on the interpopulation level. C. ambigua is found to be a gamic species because it is characterised by the lack of megagametophytes with marker signs of apomixis.
Key words: gametophyte apomixis, Chondrilla, cytoembryology.
Данные о распространении гаметофитного апомиксиса среди видов рода Chondrilla (Asteraceae) на сегодняшний день весьма отрывочны (Ильин, 1930; Леонова, 1964, 1989; Поддубная-Арнольди, 1976; Сравнительная..., 1987; Bergman, 1952; Dijk, 2003; Noyes, 2007).
Исследования системы семенного размножения видов рода Chondrilla представляются весьма актуальными, так как могут дать дополнительные сведения о степени таксономического родства форм данного рода, а также объяснить причины противоречивости представлений о его таксономической структуре.
Некоторые результаты выявления способности к воспроизводству семян путём гаметофитного апомиксиса у ряда видов Chondrilla нами ранее были опубликованы (Добрыничева и др., 2006; Кашин и др., 2006, 2015; Полякова и др., 2015). В данной работе более полно представлены результаты цитоэмбриологического анализа структуры мега-гаметофита видов рода, произрастающих на европейской части России.
Материалы и методы
Цитоэмбриологический анализ видов рода Chondrilla проводили в 1999, 2003 - 2006, 2013 - 2015 гг. Исследованы популяции растений C. juncea, C. gramínea, C. juncea/graminea, C. canescens, C. ambigua, C. brevirostris, C. latifolia, C. acantholepis, произрастающие в Саратовской (Аткарский, Базарно-Карабулакский, Балаковский, Калининский, Красноармейский, Краснокутский, Марксовский, Озинский, Саратовский и Хвалынский районы), Астраханской (Ахтубинский, Красноярский и Харабалинский районы), Волгоградской (Калачевский и Камы-шинский районы), Ростовской (Тацинский район) областях, Республике Крым (Судакский район, окр-ти г. Феодосия), Краснодарском крае (Ейский район).
Соцветия для цитоэмбриологического анализа за 1 - 3 суток до раскрытия бутона краевых цветков фиксировали в фиксаторе Кларка (96%-ный этиловый спирт - 3 части; ледяная уксусная кислота - 1 часть) и сохраняли до периода изучения. Препараты зародышевых мешков готовили по ускоренной методике П. Г. Куприянова (1989) с использованием мацерирующего агента (цитазы) и микропрепаровальных игл. Материал предварительно окрашивали 2%-ным аце-токармином. Приготовление препаратов осуществляли под стереомик-роскопом Stemi-2000 (Karl Zeiss). Структуру зародышевых мешков изучали под микроскопом AxioLab (Karl Zeiss).
Частоту гаметофитного апомиксиса определяли по частоте встречаемости зародышевых мешков с маркерными признаками апомикси-са: развитие зародыша и (или) эндосперма без оплодотворения. В среднем по каждой популяции исследовано по 150 зародышевых меш-
ков. В таблице приводятся условные номера популяций по полевому журналу.
Результаты и их обсуждение
Итоги мониторинга женской репродуктивной системы видов рода ChondriПa представлены в таблице.
Состояние мегагаметофита у растений видов Chondrilla на момент исследования
Вид, условный № популяции и место обитания Год исследования Зародышевые мешки, %
дегенерирующие из них с развитием
всего в т.ч.
про-эмбрио эндосперм обе структуры
1 2 3 4 5 6 7
juncea 85 (Сар) 1999 23.88 ± 6.15 19.52 ± 0.53 17.78 0.00 1.74
2003 32.53 ± 0.75 23.71 ± 0.41 15.47 5.57 2.67
2004 24.44 ± 0.87 51.78 ± 1.20 31.11 11.33 9.30
2005 4.63 ± 0.26 8.22 ± 0.26 8.22 0.00 0.00
2006 2.43 ± 0.14 31.26 ± 0.71 7.85 000 23.41
juncea 67 (КрК) 1999 44.52 ± 7.81 19.81 ± 0.52 14.65 0.00 0.00
2006 35.13 ± 0.79 5.82 ± 0.24 4.37 0.00 1.45
juncea 113 (ХвЛ) 2005 9.55 ± 0.37 1.74 ± 0.12 1.74 0.00 0.00
2006 6.46 ± 0.29 6.88 ± 0.20 3.32 3.56 0.00
2013 0.00 3.75 ± 0.25 0.00 2.50 1.25
juncea 1041 (ХвЛ) 2015 0.66 ± 0.01 37.33 ± 0.12 1.33 26.00 10.00
juncea 1044 (БКар) 2015 6.67 ± 1.77 23.33 ± 0.21 12.67 9.33 1.33
juncea 1022 (ФД) 2015 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
juncea 1026 (КМш) 2015 0.00 58.66 ± 1.13 5.33 7.33 46.00
juncea 1019 (Ейск) 2015 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
graminea 67а (КрК) 1999 77.21 ± 7.57 0.00 0.00 0.00 0.00
2006 17.70 ± 0.58 16.81 ± 0.49 7.10 1.01 8.70
graminea 85а (Сар) 2003 38.31 ± 8.34 12.40 ± 0.67 10.32 2.08 0.00
2004 85.97 ± 4.05 1.39 ± 0.14 1.39 0.00 0.00
2005 20.00 ± 1.33 21.67 ± 1.01 10.00 11.67 0.00
2006 12.40 ± 0.44 19.26 ± 0.40 14.07 0.00 5.19
graminea 115 (ХвЛ) 2005 9.16 ± 3.60 26.19 ± 4.84 4.76 7.14 14.29
2006 2.72 ± 0.16 5.07 ± 0.36 1.45 3.62 0.00
2013 0.00 7.91 ± 0.42 4.49 3.42 0.00
graminea 1042(ХвЛ) 2015 0.00 22.66 ± 0.11 3.33 17.33 2.00
graminea 1045(БКар) 2015 0.00 41.66 ± 2.45 0.00 23.33 18.33
juncea / graminea 67 (КрК) 2004 17.42 ± 0.79 27.08 ± 0.80 24.44 1.32 1.32
2005 14.00 ± 0.34 26.66 ± 0.45 10.52 1.25 14.89
2014 0.00 36.13 ± 0.81 10.00 3.33 22.80
2015 10.00 ± 1.42 5.33 ± 0.90 0.00 0.00 5.33
Продолжение таблицы
1 2 3 4 5 6 7
juncea /graminea (Атк) 2014 3.21 ± 0.14 12.85 ± 0.37 5.35 0.37 3.92
2015 0.00 11.25 ± 0.05 10.00 0.00 1.25
juncea / graminea 94 (БКар) 2004 24.83 ± 0.63 14.90 ± 0.30 5.01 5.60 4.29
2005 13.24 ± 0.81 0.00 0.00 0.00 0.00
2013 0.00 29.01 ± 3.90 4.55 14.55 10.0
2014 0.00 22.69 ± 0.66 8.46 0.00 14.23
juncea /graminea (Хвл) 2014 13.52 ± 3.52 5.28 ± 0.80 0.00 1.17 4.11
juncea /graminea 270 (Оз.) 2005 17.05 ± 0.65 19.80 ± 050 12.98 0.00 6.82
2006 0.00 12.82 ± 0.59 12.82 0.00 0.00
juncea /graminea 1035 (Клн) 2015 0.00 4.00 ± 0.38 2.00 2.00 0.00
juncea /graminea 1036 (КрА) 2015 10.00 ± 2.47 15.33 ± 0.93 3.33 1.33 10.67
juncea /graminea 1037 (Срт) 2015 0.00 1.00 ± 0.02 1.00 0.00 0.00
juncea /graminea 1038 (МР) 2015 0.00 16.00 ± 0.85 2.67 0.00 13.33
juncea /graminea 1039 (БЛк) 2015 14.07 ± 2.79 46.66 ± 1.63 9.63 4.44 32.59
canescens 293 (ХвЛ) 2005 0 44.45 ± 6.19 27.40 0.00 17.05
2006 3.01 ± 0.14 54.04 ± 6.24 33.15 0.00 20.89
2013 0.00 7.50 ± 0.50 0.50 4.00 3.00
2015 1.66 ± 1.66 60.83 ± 2.50 8.33 0.00 52.5
canescens 1028 (КрК) 2015 0.00 21.76 ± 1.07 16.50 5.26 0.00
ambigua 305 (ХРБ) 2005 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
ambigua 306 (ХРБ) 2005 11.00 ± 0.51 0.00 0.00 0.00 0.00
2006 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
ambigua 403 (БЛх) 2006 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
ambigua 306 (ДСН) 2013 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2014 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2015 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
ambigua 1031 (ХЛт) 2015 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
brevirostris 298 (БЛх) 2005 29.54 ± 0.81 1.07 ± 0.07 1.07 0.00 0.00
2006 24.59 ± 0.62 30.81 ± 0.58 23.45 0.00 7.36
2013 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2014 0.00 24.70 ± 4.10 7.24 7.24 10.22
brevirostris 1046 (ХРБ) 2015 3.33 ± 1.05 57.34 ± 2.00 16.67 6.67 34.00
latifolia 300 (КМш) 2005 5.19 ± 0.38 17.26 ± 0.48 17.26 0.00 0.00
2006 11.59 ± 0.65 19.54 ± 0.38 6.96 4.97 7.61
2013 0.00 30.00 ± 5.09 6.00 24.00 0.00
2014 1.60 ± 0.94 47.60 ± 7.32 4.40 13.20 30.00
2015 0.00 34.00 ± 2.15 0.00 24.00 10.00
latifolia 1032 (КнД) 2015 1.18 ± 0.07 61.77 ± 2.01 9.41 28.24 24.12
latifolia 1024 (РСТ) 2015 2.67 ± 1.02 51.67 ± 3.02 12.33 10.67 28.67
acantolepis 1020 (Ейск) 2015 5.00 ± 2.01 11.35 ± 1.02 6.53 2.04 2.78
Окончание таблицы
1 2 3 4 5 6 7
acantolepis 1021 (СДк) 2015 12.30 ± 2.80 23.62 ± 2.50 13.02 0.00 10.60
acantolepis 1023 (ФД) 2015 0.00 3.33 ± 0.25 3.33 0.00 0.00
acantolepis 1025 (КнД) 2015 0.00 53.34 ± 1.29 0.00 7.78 45.56
Примечания: Сар - Саратовская обл., Саратовский р-н; Оз - Саратовская обл., Озинский р-н, окр. п. Озинки; ХРБ - Астраханская обл., Харабалинский р-н, Кордон «Харабалинский»; СДк - Республика Крым, Судакский р-н, окр. с. Веселое; ФД - Республика Крым, окр. г. Феодосия, пляж на выезде со стороны г. Керчь; КрК - Саратовская обл., Краснокутский р-н, окр. с. Дьяковка; Атк - Саратовская обл., Аткарский р-н, окр. с. Приречное; БКар - Саратовская обл., Б.-Карабулакский р-н, окр. с. Алексеевка; КМш - Волгоградская обл., окр. г. Камышин; КнД - Волгоградская обл., окр. с. Калач-на-Дону; БЛх - Астраханская обл., Ахтубинский р-н, окр. с. Болхуны; ДСН - Астраханская обл., Красноярский р-н, окр. с. Досанг; ХвЛ - Саратовская обл., окр. г. Хвалынск; Клн - Саратовская обл., Калининский р-н, окр. г. Калининск; КрА - Саратовская обл., Красноармейский р-н, окр. с. Садовое; Срт - Саратовская обл., Саратовский р-н, окр. с. Поповка; МР - Саратовская обл., Марксовский р-н, окр. с. Волково; БЛк - Саратовская обл., Балаковский р-н, окр. с. Кормежки; Ейск - Краснодарский край, Ейский р-н, окр. с. Должанское; РСТ - Ростовская обл., Тацинский р-н, окр. х. Верхнекольцов.
В целом частота встречаемости цитоэмбриологических признаков апомиксиса в популяциях видов рода Chondrilla была достаточно высокой и варьировала в диапазоне 0 - 62%. В процессе исследования были выделены следующие типы строения зародышевых мешков: нормальный зародышевый мешок Polygonum-типа (рисунок, 1); дегенерирующий зародышевый мешок (рисунок, 2); зародышевый мешок с автономным развитием эндосперма (рисунок, 3); зародышевый мешок с партеногенетическим развитием яйцеклетки (рисунок, 4); зародышевый мешок с одновременным развитием яйцеклетки и эндосперма без оплодотворения.
Во всех исследованных местообитаниях растения C. juncea и C. graminea произрастали в смешанных популяциях. При этом по так-сономически значимым морфологическим признакам образовывали непрерывный спектр переходов от одной крайней формы к другой. Так что выделять «чистые» морфы растений того или другого вида с неперекрывающимися признаками было весьма проблематично. По этой причине по целому ряду лет наблюдений в популяциях исследовали смешанную случайную выборку растений этих двух видов, не подразделяя их по видовым признакам (см. таблицу, C. juncea / graminea). Речь идёт о популяциях: из Краснокутского района по 2004, 2005, 2014 и 2015 гг. наблюдения, из Аткарского района по 2014 и 2015 гг. на-
блюдения, из Базарно-Карабулакского района по 2004, 2005, 2013 и 2014 гг. наблюдения, из Хвалынского района по 2014 г. наблюдения, из Озинского района по 2005 и 2006 гг. наблюдения, а также из Калининского, Красноармейского, Саратовского, Марксовского и Балаков-ского районов по 2015 г. наблюдения.
Состояние мегагаметофитов Chondrilla на момент исследования: 1 - дифференцированный нормального строения у C. acantholepis; 2 - дегенерирующий у C. acantholepis; 3 - с клеточным эндоспермом у C. graminea; 4 - с преждевременной эмбрионией у C. latifolia. С - синергиды; Я - яйцеклетка; ПЯ - полярные ядра; А - антиподы; ПР - проэмбрио; ЭНД - эндосперм
В исследованных «чистых» популяциях C. juncea и C. graminea, как и в смешанной популяции этих видов, принципиальных отличий в частоте обнаружения признаков гаметофитного апомиксиса не наблюдалось, хотя популяции C. graminea имели гораздо более узкий диапазон варьирования параметра (0 - 42%), чем популяции C. juncea (0 - 59%) (см. таблицу). При этом в большинстве популяций на момент исследования чаще всего наблюдалась преждевременная эмбрио-ния без индукции к развитию центральной клетки зародышевого мешка. Доля зародышевых мешков с развитием центральной клетки (см. рисунок, 3) или зародышевых мешков с развитием обоих элементов
(яйцеклетки и центральной клетки) одновременно была чаще всего значительно ниже.
В популяции C. canescens частота встречаемости зародышевых мешков с признаками апомиктичного развития варьировала в диапазоне 7.5 - 61%. При этом по трем из четырех лет наблюдения в ней превалировала преждевременная эмбриония, а также одновременное развитие яйцеклетки и эндосперма без оплодотворения.
В популяции C. latifolia частота обнаружения признаков гамето-фитного апомикисиса была относительно высокой и по годам наблюдения варьировала в диапазоне 17 - 48%. При этом по трём из пяти лет наблюдения в популяции на момент исследования преобладали мега-гаметофиты с автономным развитием эндосперма или проэмбрио и эндосперма одновременно. В популяциях из Ростовской и Волгоградской областей, исследованных в 2015 г., отмечен высокий процент встречаемости признаков апомиксиса (51.7 и 61.8% соответственно), среди которых мы наблюдали как преждевременную эмбрионию (см. рисунок, 4), эндоспермогенез, так и одновременное развитие обеих структур.
В популяции C. brevirostris, исследованной в Астраханской области в 2005 - 2006, 2013 - 2014 гг., доля зародышевых мешков с признаками гаметофитного апомиксиса варьировала в диапазоне 0 - 31%. В популяции, изученной в 2015 г., частота встречаемости признаков апомиксиса была почти в два раза выше (57.3%) и более половины из них приходилось на одновременное развитие яйцеклетки и эндосперма без оплодотворения.
В 2015 г. нами были исследованы растения четырех популяций C. acantholepis, произрастающие в Краснодарском крае, Республике Крым и Волгоградской области. В этих популяциях из южных областей нашей страны мы отметили существенную межпопуляционную изменчивость частоты встречаемости признаков гаметофитного апомиксиса (3 - 53%), среди которых в основном превалировала преждевременная эмбриония, а также одновременное развитие яйцеклетки и центральной клетки без оплодотворения.
По итогам цитоэмбриологического анализа пяти популяций C. ambigua, произрастающих в различных районах Астраханской области, выявлено, что все мегагаметофиты имели нормальное строение без признаков апомиктичного развития. Такой результат позволяет сделать вывод о том, что данный вид является амфимиктичным.
При анализе структуры большого числа семязачатков ни в одной из популяций исследованных видов Chondrilla у растений не обнаружено признаков формирования апоспорических инициальных клеток или их производных. Это указывает на то, что видам рода свойственна дипло-, а не апоспория, что соответствует и литературным данным (Dijk, 2GG3; Noyes, 2GG7).
Выводы
У растений из популяций C. juncea, C. gramínea, C. сanescens, C. brevirostris, C. latifolia и C. acantholepis при изучении структуры мегагаметофитов обнаружены цитоэмбриологические маркёрные признаки гаметофитного апомиксиса: чаще всего - преждевременная эм-бриония, реже - автономный эндоспермогенез или развитие яйцеклетки и центральной клетки в одном мегагаметофите без оплодотворения.
Во всех исследованных популяциях C. ambigua все мегагаметофи-ты имели нормальное строение без признаков апомиктичного развития. Это однозначно указывает на то, что C. ambigua является облигат-ным амфимиктом.
Частота обнаружения цитоэмбриологических признаков апомик-сиса у видов рода Chondrilla отличается существенной внутри- и меж-популяционной изменчивостью.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 15-04-04087).
Список литературы
Bergman B. Chondrilla chondrilloides, a new sexual Chondrilla species // He-reditas. 1952. Vol. 38, № 3. P. 367 - 369.
Dijk van P. J. Ecological and evolutionary opportunities of apomixis: insights from Taraxacum and Chondrilla // Phil. R. Soc. Lond. B. 2GG3. Vol. 358. P. 1113 - 1121.
Noyes R. D. Apomixis in the Asteraceae: Diamonds in the Rough // Functional plant science and biotechnology. 2007. Vol. 1(2). P. 207 - 222.
Добрыничева H. В., Кочанова И. С., Кашин А. С. Сравнительное изучение некоторых параметров системы семенного размножения в популяциях рода Chondrilla L. // Бюл. Бот. сада Сарат. гос. ун-та. 2GG6. № 5. С. 3G7 - 312.
Ильин М. М. Chondrilla L. // Бюл. отдела каучуконосных. 193G. № 3. С. 1 - 61.
Кашин А. С., Добрыничева Н. В., Кочанова И. С. и др. Особенности семенного размножения в популяциях Chondrilla juncea и Chondrilla graminea (Asteraceae) // Бот. журн. 2006. Т. 91, № 95. С. 729 - 744.
Кашин А. С., Попова А. О., Кочанова И. С. и др. Некоторые параметры системы семенного размножения в популяциях видов Chondrilla (Asteraceae) Нижнего Поволжья // Бот. журн. 2015. Т. 100, № 8. С. 828 - 840.
Куприянов П. Г. Диагностика систем семенного размножения в популяциях цветковых растений. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. 160 с.
Леонова Т. Г. Род. Хондрилла - Chondrilla L. // Флора СССР. М;Л.: Наука, 1964. С. 560 - 586.
Леонова Т. Г. Хондрилла - Chondrilla L. // Флора Европейской части СССР. Т. 8. Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1989. С. 57 - 61.
Поддубная-Арнольди В. А. Цитоэмбриология покрытосеменных растений. М.: Наука, 1976. 508 с.
Полякова Ю. А., Угольникова Е. В., Кашин А. С. и др. Качество пыльцы и цитоэмбриологические признаки гаметофиного апомиксиса в популяциях видов Chondrilla L. Нижнего Поволжья // Бюл. Бот. сада Сарат. гос. ун-та. 2015. Вып. 13. С. 161 - 170.
Сравнительная эмбриология цветковых растений. Davidiaceae - Asteraceae. Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1987. 392 с.
