CC BY
12
УДК 581.3
Эмбриологические особенности бобовника анагировидного
(Laburnum anagyroides Medik.)
С. Н. Тимофеева, О. И. Юдакова
Тимофеева Светлана Николаевна, ведущий биолог лаборатории биотехнологии и репродуктивной биологии, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, [email protected]
Юдакова Ольга Ивановна, доктор биологических наук, заведующий кафедрой генетики, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, [email protected]
Laburnum anagyroides Medik. (Leguminosae) - перспективное декоративное древесное растение родом из Средиземноморья. При интродукции в Нижнем Поволжье характеризуется следующими показателями семенного размножения: потенциальная семенная продуктивность - 5,24 ± 0,08 семязачатков на 1 завязь, реальная семенная продуктивность - 1,53 ± 0,05 семян на 1 плод, коэффициент эффективности репродукции - 29,2%. Семена быстро переходят в состояние глубокого физического покоя, из которого не могут самостоятельно выйти весной. Низкая всхожесть интактных семян не превышает 10%, что является одной из причин отсутствия самосева. Ключевые слова: пыльца, зародышевые мешки, семенная продуктивность, физический покой семян, Laburnum anagyroides.
DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2020-20-1 -81 -84
Интродукция является одним из способов увеличения разнообразия пищевых, лекарственных и декоративных растений. Ее успешность определяется совокупностью многих факторов, в том числе и эффективностью репродуктивной системы растения в новых эколого-климатиче-ских условиях. К числу видов, сложности с естественным размножением которых препятствуют их широкому практическому использованию, относится бобовник анагировидный (Laburnum anagyroides Medik., Leguminosae) - средиземноморское высоко декоративное и лекарственное древесное растение [1, 2]. В России его выращивают на Кавказе и в Крыму с XVIII в., но в более северных регионах он до сих пор представлен лишь единичными экземплярами в ботанических садах. Дело в том, что искусственное вегетативное размножение L. anagyroides неэффективно, а в районах, эколого-климатические условиях которых отличаются от его естественного ареала, он не размножается самосевом и не образует корневой поросли [3]. Для выявления причин, осложняющих семенное размножениея L. anagi-
roides при интродукции в Нижнем Поволжье, был проведен цитоэмбриологический анализ растений и изучены процессы прорастания семян в лабораторных условиях.
Материал и методы исследования
Объектом исследования послужили растения L. anagyroides, произрастающие в дендрарии УНЦ «Ботанический сад» СГУ имени Н. Г. Чернышевского (51°32' с. ш., 46°00' в. д.). Соцветия фиксировали ацетоалкоголем (3 : 1) темпорально каждые 2 сут., начиная с образования бутонов длиной 2 мм и заканчивая увяданием цветков. Структуру пыльцевых зерен и семязачатков исследовали на препаратах, приготовленных методом просветления растительных тканей [4]. Степень дефектности пыльцы (СДП) определяли как отношение дефектных пыльцевых зерен к общему количеству исследованных. Препараты анализировали с помощью фазово-контрастного микроскопа «AxioStar Plus» (С. Zeiss, Германия). Статистическую обработку результатов осуществляли с использованием программ Microsoft Office Excel 2010.
Результаты и их обсуждение
Цветение L. anagyroides в условиях Нижнего Поволжья начинается в третьей декаде мая при устойчивом переходе среднесуточных температур через +15° С и продолжается около 3 недель. Цветки длиной 15,32 ± 0,18 мм и шириной 14,87 ± 0,20 мм распускаются в соцветиях преимущественно акропетально.
Андроцей состоит из 10 сросшихся тычинок двух типов, которые чередуются друг с другом: 1) с длинной тычиночной нитью и крупным пыльником; 2) с короткой тычиночной нитью и небольшим пыльником (рисунок, а). Пыльцевые зерна трехпоровые, округлой формы, диаметром 24,1 ± 1,5 мкм. Качество пыльцы высокое, средняя СДП растений - 15,4%. В одной завязи формируется в среднем 5,2 ± 0,1 кампилотроп-ного семязачатка. Соотношение количества пыльцевых зерен и количества семязачатков (P/O ratio) составляет 1440, что характерно для факультативных аллогамов [5]. Семязачатки
© Тимофеева С. Н., Юдакова О. И, 2020
Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2020. Т. 20, вып. 1
крассинуцеллятные с толстостенным массивным нуцеллусом. В семязачатках закладывается единственная археспориальная клетка, в результате переклинального деления которой образуются мегаспороцит и кроющая (париетальная) клетка, которая дегенерирует.
Данные о типе развития мегагаметофита у Ь. anagyroides противоречивы. Ь. Ош§паМ [6] причислил Ь. anagyroides к видам с Ро1у§опиш-типом развития зародышевого мешка, отмечая,
что для него характерно формирование не тетрад, а триад мегаспор. Позднее Б. Н. 1г. ЯешЬей [6] описал зародышевый мешок Ь. anagyroides как биспорический, двумитозный, биполярный (ЛШиш-тип). В ходе проведенного нами анализа на стадии спорогенеза были обнаружены диады мегаспор с дегенерирующей микро-пилярной клеткой (см. рисунок, б) и триады с функциональной халазальной клеткой и двумя дегенерирующими микропилярными клетками
Генеративные структуры и органы L. anagyroides: а - тычинки; б - диада мегаспор с дегенерирующей микропилярной клетой (mic ms) и функциональной халазальной (hal ms); в - триада мегаспор с двумя дегенерировавшими клетками (deg ms); г - зрелый зародышевый мешок (eg - яйцеклетка, pn - полярные ядра,
ant - антиподы). Масштабная линейка: а - 1 мм; б-г - 50 мкм Generative structures and organs of L. anagyroides: a - stamens; b - dyad of megaspores with a degenerated micropilar cell (mic ms) and functional chalazal cell (hal ms); c - triad of megaspores with two degenerated cells (deg ms); d -mature embryo sac (eg - egg cell, pn - polar nuclei, ant - antipodes). Scale bar: a - 1 mm; b-d -50 ^m
(см. рисунок, в). Их наличие указывает на моно-спорический тип развития зародышевого мешка, а биполярность и восьмиядерность зрелых ме-гагаметофитов (см. рисунок, г) - на Ро1у§опиш-тип. Следует отметить, что образование вместо тетрад триад мегаспор характерно для видов рода Cytisus, к которому ранее относили L. anagyroides [7]. У Cytisus multiflorus и C. striatus, так же как и у L. anagyroides, микропилярная клетка диады мегаспор не делится и дегенерирует, второе деление мейоза происходит только в халазальной клетке диады и завершается образованием двух изолированных клеток.
Зрелый зародышевый мешок L. anagyroides биполярный, восьмиядерный, семиклеточный (см. рисунок, г). В микропилярной части зародышевого мешка располагается яйцевой аппарат, состоящий из яйцеклетки и двух си-нергид, в халазальной части - три одноядерные антиподы. Полярные ядра до оплодотворения не сливаются. Зародыш и эндосперм развиваются в результате оплодотворения. Эндоспермогенез нуклеарного типа.
Мегагаметофитов аномального строения, нарушений эмбрио- и эндоспермогенеза, а также эмбриологических признаков апомиксиса не зарегистрировано. Вместе с тем в семязачатках отцветающих соцветий, наряду с зародышевыми мешками, которые находились на завершающих стадиях эмбрио- и эндоспермогенеза, были обнаружены неоплодотворенные дегенерирующие зародышевые мешки. При потенциальной семенной продуктивности 5,2 ± 0,1 семязачатков на завязь реальная семенная продуктивность составила лишь 1,53 ± 0,05 семени на плод.
Зрелые плоды L. anagyroides - сухие голые бобы длиной 3,28 ± 0,04 см и шириной 1,01 ± 0,01 см. Вес 1000 семян - 16,44 ± 0,21 г, средний вес 100 семян - 1,65 ± 0,02 г. В выполненных семенах зародыш нормально развитый, дифференцированный, состоит из радикулы, гипо-котиля, двух семядолей и почечки. Несмотря на нормальное строение, при проращивании в лабораторных условиях прорастали лишь единичные семена, количество проросших семян через 1 месяц не превышало 10%. Остальные, несмотря на их нормальное строение, даже не набухали, что свидетельствует о водонепроницаемости семенной оболочки. Особое строение семенной кожуры, делающее ее полностью водо- и газонепроницаемой, характерно для многих бобовых. В таких семенах у зародыша развивается состояние глубокого покоя, из которого он может выходить под действием видо-специфических биотических или абиотических
факторов. Для выведения семян из состояния покоя искусственно нарушают целостность семенной кожуры путем скарификации (механической или кислотной) или температурной стратификации. Для преодоления физического покоя семян у L. anagyroides наиболее эффективным оказалось высокотемпературное воздействие на них горячей водой (+90° С) в течение 20 мин, что увеличило количество проросших семян в среднем до 80% [8].
Заключение
Проведенное исследование показало, что природно-климатические условия Нижнего Поволжья не препятствуют завязыванию у L. anagyroides полноценных семян. Выявленное невысокое значение соотношения количества развившихся семян и количества семязачатков (эффективность репродукции = 29,2%) в целом характерно для древесных форм [5]. Поскольку L. anagyroides является факультативным аллога-мом, одной из возможных причин, снижающих коэффициент репродукции у изученных растений, может быть осложнение перекрестного опыления из-за разобщенности экземпляров на территории Ботанического сада. Даже при невысоких значениях коэффициента эффективности репродукции большое количество соцветий и цветков в них позволяет растениям в генеративной фазе развития ежегодно производить до 1000 и более полноценных семян. Однако получить посадочный материал L. anagyroides можно только в лабораторных и тепличных условиях после температурной стратификации семян.
Список литературы
1. Hewood V. H. Flowering plants of the world. Batsford : Oxford University Press, 1993. 336 p.
2. SatoH., Tahara S., Ingham J. L., Dziedzic S. Z. Isoflavones from pods of Laburnum anagyroides // Phytochemistry. 1995. Vol. 39, № 3. P. 673-676.
3. Балабушка В. К. Результаты испытания регуляторов роста при размножении древесных интродуцен-тов летними черенками // Бюл. ГБС. 1990. № 156. С. 65-67.
4. Юдакова О. И., Гуторова О. В., БеляченкоЮ. А. Методы исследования репродуктивных структур и органов растений. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2012. 38 с.
5. Шамров И. И. Семязачаток цветковых растений: строение, функции, происхождение. М. : КМК, 2008. 350 с.
6. Rembert D. H. Jr. Megasporogenesis in Laburnum anagyroides Medic. - a case of bisporic development in Leguminosae // Transactions of the Kentucky Academy of Science. 1966. Vol. 27. P. 47-50.
Биология
83
Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2020. Т. 20, вып. 1
7. Rodriguez-Riano T., Valtuena F. J., Ortega-Olivencia A. Megasporogenesis, Megagametogenesis and ontogeny of the aril in Cytisus striatus and C. multiflorus (Legumino-sae : Papilionoideae) // Annals of botany. 2006. Vol. 98. P. 777-791.
8. Тимофеева С. Н., Юдакова О. И., Эльконин Л. А. Преодоление физического покоя семян бобовника анагиро-видного in vivo и в культуре in vitro // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2017. Т. 17, вып. 1. С. 30-35. DOI: 10.18500/1816-9775-2017-17-1-30-35
Образец для цитирования:
Тимофеева С. Н., Юдакова О. И. Эмбриологические особенности бобовника анагировидного (Laburnum anagyroides Medik.) // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2020. Т. 20, вып. 1. С. 81-84. DOI: https://doi. org/10.18500/1816-9775-2020-20-1-81-84
Embryological Features of Laburnum anagyroides Medik. S. N. Timofeeva, O. I. Yudakova
Svetlana N. Timofeeva, https://orcid.org/0000-0003-1391-6803, Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia, [email protected]
Olga I. Yudakova, https://orcid.org/0000-0003-1391-6803, Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia, [email protected]
Laburnum anagyroides Medik. (Leguminosae) is a promising ornamental woody plant, which is native to the Mediterranean. It is characterized by the following indicators of seed reproduction during introduction in the Lower Volga region: potential seed productivity is 5.24 ± 0.08 ovules on 1 ovary, real seed productivity is 1.53 ± 0.05 seeds per 1 fruit, the reproduction efficiency coefficient is 29.2%. Seeds quickly pass into a state of deep physical rest and cannot independently leave this state in spring. Germination of both freshly-harvested and long-stored intact seeds does not exceed 10%. This is one of the reasons for the lack of self seeding. Keywords: pollen, embryo sac, seed productivity, seed dormancy, Laburnum anagyroides.
Reference
1. Hewood V. H. Flowering plants of the world. Batsford, Oxford University Press, 1993. 336 p.
2. Sato H., Tahara S., Ingham J. L., Dziedzic S. Z. Iso-
flavones from pods of Laburnum anagyroides. Phyto-chemistry, 1995, vol. 39, no. 3, pp. 673-676.
3. Balabushka V. K. Results of growth regulators tested during reproduction of tree introductions by summer cuttings. Byulleten GBS, 1990, vol. 156, pp. 65- 67 (in Russian).
4. Yudakova O. I., Gutorova O. V., Belyachenko Yu. A. Metody issledovaniya reproduktivnykh struktur i organov rasteniy [Methods of investigation of reproductive plant structures and organs]. Saratov, Izd-vo Sarat. un-ta, 2012. 38 p. (in Russian).
5. Shamrov I. I. Semyazachatok tsvetkovykh rasteniy: stro-enie, funktsii, proiskhozhdenie [Ovary of flowering plants: structure, function, origin]. Moscow, KMK Publ., 2008. 350 p. (in Russian).
6. Rembert D. H. Jr. Megasporogenesis in Laburnum anagyroides Medic. - a case of bisporic development in Leguminosae. Transactions of the Kentucky Academy of Science, 1966, vol. 27, pp. 47-50.
7. Rodriguez-Riano T., Valtuena F. J., Ortega-Olivencia A. Megasporogenesis, Megagametogenesis and ontogeny of the aril in Cytisus striatus and C. multiflorus (Leguminosae: Papilionoideae). Annals of botany, 2006, vol. 98, pp. 777-791.
8. Timofeeva S. N., Yudakova O. I., Elkonin L. A. Breaking Physical Domancy of Seeds by in vivo and in vitro Conditions. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Chemistry. Biology. Ecology, 2017, vol. 17, iss. 1, pp. 30-35 (in Russian). DOI: 10.18500/1816-9775-2017-17-1-30-35
Cite this article as:
Timofeeva S. N., Yudakova O. I. Embryological Features of Laburnum anagyroides Medik. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Chemistry. Biology. Ecology, 2020, vol. 20, iss. 1, pp. 81-84 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2020-20-1-81-84
