CC BY
90
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 БИОЛОГИЯ Вып. 2
БОТАНИКА
УДК 582.736
ЭМБРИОЛОГИЯ НЕКОТОРЫХ КОРМОВЫХ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА FABACEAE Lindl.
Н. Л. Колясникова
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15; Kolyasnikova@list.ru; (342)2396229
Представлены результаты изучения эмбриологии некоторых бобовых трав: люцерны, клевера, донника, астрагала, козлятника. Проведена оценка фертильности пыльцевых зерен и зародышевых мешков. Рассмотрено развитие зародыша и эндосперма.
Ключевые слова: эмбриология; Medicago; Trifolium; Melilotus; Astragalus; Galega.
Введение
Для всех культивируемых бобовых весьма актуальна проблема низкой семенной продуктивности. Сдерживающим фактором для создания высокопродуктивных сортов является отсутствие данных по качественной и количественной оценке различных этапов формирования репродуктивных органов растений и их реализации в процессе функционирования.
Цель работы - сравнительное изучение эмбриологии ряда важнейших кормовых культур из семейства Fabaceae, а также их дикорастущих сородичей, перспективных для селекции; выявление эмбриологических причин низкой семенной продуктивности и резервов ее повышения.
Объекты и места исследований
Нами изучалась эмбриология 27 видов семейства Fabaceae: Medicago sativa L., M. hemicycla Grossh., M. falcata L., M. varia Mart., M. caerulea Less., M. cancellata Bieb., M. difalcata Sinsk., M. glutinosa Bieb., M. polychroa Grossh., M. quasifalcata Sinsk., M. romanica Prod., M. tianschanica Vass., M. trautvetteri Sumn., Trifolium pratense L., T. medium L., T. repens L., Melilotus albus Medik., M. officinalis (L.) Pall., Vicia cracca L., V. tenuifolia Roth, Lathyrus pratensis L., L. sylvestris L., Astragalus danicus Retz., A. onobrychis L., A. kungurensis Boriss., A. permiensis C.A. Mey. ex Rupr., Galega orientalis Lam.
Сбор материала проводился с 1983 по 1987гг. на коллекционном участке Приаральской опытной станции ВИР (Актюбинская обл.); с 1988 по 1992 гг. - в заказнике «Троицкий» (Челябинская обл.) и в ботаническом саду Пермского государственного
университета; 1993-2002 гг. - на учебно-научной базе Пермского государственного университета «Предуралье»; с 2003 г. - на полях учебно-опытной базы Пермской сельскохозяйственной академии «Липовая гора».
Результаты исследования
У исследованных видов хорошо выраженные различия, которые относятся к ряду морфологических признаков, к биологическим свойствам, имеют неодинаковую хозяйственную ценность, у них разная степень плоидности, есть диплоидные, тет-раплоидные, гексаплоидные виды люцерны и клевера; тем не менее в протекании эмбриологических процессов наблюдается большое сходство.
Пыльники у исследованных видов четырех-гнездные, развиваются по типу двудольных. Стенка пыльника четырехслойна, включает эпидермис, эндотеций, средний слой и тапетум. Тапетум секреторного типа одноядерный. Стенка зрелого пыльника состоит из эпидермиса и эндотеция.
Зрелые пыльцевые зерна двухклеточные, округлые, трехбороздноапертурные у видов рода Medicago, двухклеточные, эллипсоидальные, трехбороздноапертурные - у Trifolium, Melilotus, Galega (рис. 1).
Рис. 1. Зрелые пыльцевые зерна Trifolium pratense L.
© Колясникова Н. Л., 2012
По нашим данным, размеры пыльцевых зерен по диаметру варьируют в среднем от 20.0 мкм до 48.7 мкм. Для видов, у которых развитие семян возможно только после двойного оплодотворения, высокое качество пыльцы имеет огромное значение. В целом у всех исследованных видов высокофертильная пыльца: средний процент растений с такой пыльцой по девяти многолетним видам люцерны варьировал от 67.2 до 83.9, по трем видам клевера - от 76.0 до 95.0, по двум видам донника -от 88.2 до 97.4.
В пыльниках с нарушениями в строении стенки мы обнаружили либо стерильные пыльцевые зёрна, или отсутствие таковых вообще. Таким образом, отсутствие дифференциации слоёв стенки пыльника, аномальное развитие тапетума привело к гибели микроспороцитов (рис. 2).
.................
и
« Л * •**
Рис. 2. Стерильный пыльник Galega orientalis Lam.
Семязачатки исследованных видов семейства Fabaceae кампилотропные, крассинуцеллятные, двупокровные. Зародышевый мешок развивается по типу Ро^опит. Зрелый зародышевый мешок четырехклеточный, четырехъядерный (рис. 3).
Рис. 3. Зародышевый мешок Trifolium medium L.
Достаточно большое число семязачатков закладывается у всех исследованных образцов многолетних видов. Но у люцерны посевной даже при достаточной обеспеченности опылителями и при большом числе закладывающихся семязачатков в завязи число семян, образовавшихся в бобе, невелико. Поэтому мы проследили динамику состояния семязачатков с момента распускания цветка (семязачатки со зрелыми зародышевыми мешками) до стадии зрелых бобов (завершение дифференциации зародыша) после свободного перекрестного опыления.
Установили, что общее число семязачатков, закладывающихся в завязи у различных видов, колеблется от 5.6 (Medicago cancellata) до 10.1 (M. polychroa). Средние значения этого показателя у одного вида в разные годы и в разных экологиче-
ских условиях достоверно не различаются, что позволяет считать данный признак наследственно закрепленным.
У всех исследованных видов люцерны обнаруживается дегенерация части семязачатков до опыления. Также стерильные семязачатки обнаруживаются с помощью люминесцентной микроскопии [Отбор растений..., 1985]. С помощью этого метода нами было выявлено 46.9% стерильных семязачатков.
Фертильные семязачатки можно разделить на три неравные в количественном отношении группы: фертильные, но неоплодотворенные; оплодотворенные, но дегенерирующие вследствие аномалий развития эндосперма; оплодотворенные, развивающие нормальные семена.
У всех видов была велика доля семязачатков с неоплодотворенными яйцеклетками, в среднем она составляла 47% от числа фертильных семязачатков.
Некоторые семязачатки с оплодотворенными яйцеклетками также дегенерировали, они дают щуплые, неполноценные семена. Доля таких семязачатков варьирует у разных видов, и в целом она невелика. Одной из причин дегенерации являются нарушения в развитии эндосперма, обнаруживающиеся на стадии проэмбрио.
Итак, независимо от общего числа семязачатков в завязи выход семян мал, он колеблется от 2.4 (у M. cancellata) до 4.2 (у M. sativa); по-видимому, селекционный отбор растений по изначально большому числу семязачатков малоэффективен [Верещагина, Колясникова, 1990].
На постоянных эмбриологических препаратах у многолетних видов люцерны встречались нарушения в развитии зародышевого мешка. Анализ 1000 завязей показал, что у четырех из них недифференцированные зародышевые мешки и два зародышевых мешка в одном семязачатке (Medicago sativa, M. caerulea, и M. trautvetteri). У клевера такие нарушения обнаруживались гораздо чаще. Анализ 200 завязей Trifolium medium показал, что в 23 из них есть аномалии в строении семязачатков.
Исследование семязачатков двух видов Melilotus также выявило наличие нарушений в развитии женского гаметофита: недифференцированные зародышевые мешки, отставание в размерах от нормы, отсутствие лизиса клеток нуцеллуса, два зародышевых мешка в семязачатке, аномалии числа ядер (рис. 4).
Рис. 4. Аномалии числа ядер в зародышевом мешке Melilotus albus Medik.
Таким образом, одной из существенных причин низкой семенной продуктивности многолетних бобовых кормовых трав являются нарушения в развитии репродуктивных органов; гибель семязачатков происходит на всех стадиях развития завязи и семязачатков, начиная с заложения спорогенной ткани - археспориальных клеток - до момента созревания семян. Существует генетически закрепленная частичная гибель женского гаметофита у многоцветковых видов, с достаточно большим числом семязачатков в завязи. Аномалии в строении семязачатков разнообразны, происходят на разных этапах развития, и частота встречаемости их варьирует как у разных растений одного вида, так и между видами и родами.
Проникновение пыльцевой трубки в зародышевый мешок и двойное оплодотворение у исследованных видов чаще всего осуществляются в течение 24-48 ч. после опыления. Двойное оплодотворение первых семязачатков регистрируется через 8-24 ч. после опыления. Оплодотворение у бобовых порогамное. Пыльцевая трубка проникает в зародышевый мешок через одну синергиду, разрушая ее, вторая синергида сохраняется до начала деления зиготы. Реже при прохождении пыльцевой трубки в зародышевый мешок разрушаются обе синергиды. Спермии вступают в контакт с ядром яйцеклетки и одним из полярных ядер почти одновременно, но образование первичного ядра эндосперма завершается быстрее, чем образование зиготы. Первичное ядро эндосперма вступает в деление, давая начало ядрам эндосперма нуклеарно-го типа. Его преобразование в клеточный наблюдается на стадии шаровидного зародыша через семь-восемь суток.
Через 48 ч. после опыления, когда сформируются четыре-шесть ядер эндосперма, отмечается первое деление зиготы. Зигота у всех изученных многолетних видов люцерны делится поперечно, образуя апикальную и базальную клетки. Четырехклеточный проэмбрио образуется в результате деления поперечной перегородкой апикальной и базальной клеток. Последующие деления происходят только в апикальной клетке четырехклеточного проэмбрио и ее производных, в результате чего возникает линейный проэмбрио. Собственно эмбриогенная клетка делится вначале продольно, а потом обе клетки делятся поперечными перегородками. В итоге образуется шаровидный зародыш (рис. 5).
Зародыш увеличивается в массе, затем его верхушечная часть уплощается вследствие быстрого роста боковых частей, и зародыш постепенно принимает двулопастную сердечковидную форму; образуются бугорки будущих семядолей. Длина подвеска варьирует в зависимости от числа образующих его клеток.
Шаровидная стадия весьма длительна, зародыш дифференцируется поздно: у люцерны посевной -
на 11-13 день, у клевера лугового - на 12-14 день. Полное развитие зародыша в зависимости от погодных условий происходит у люцерны посевной через 25-36 дней, у клевера лугового - через 28-60 дней. Зрелый зародыш содержит две крупные, круглой, овальной или удлиненной формы семядоли, небольшую почечку и толстый корешок, кончик которого соприкасается с рубчиком. Эндосперм переходит в клеточное состояние на 2/3 всей длины в микропилярной части зародышевого мешка. В халазальной части эндосперм остается цено-цитным, а его ядра имеют разные размеры и форму. Для ранней стадии образования эндосперма характерно обильное отложение крахмала [Мошко-вич, 1987].
м
Щ ■■ У/
Рис. 5. Шаровидный зародыш Medicago sativa L.
Наши исследования показали, что клетки подвеска, примыкающие непосредственно к зародышу, могут делиться как в продольном, так и в поперечном направлениях. В результате формируются либо короткие и толстые, либо длинные и тонкие подвески. Анализ 160 многоклеточных зародышей показал, что первый тип подвеска характерен для M. difalcata, M. polychroa, M. sativa, второй -для M. falcata, M. cancellata, M. caerulea, M. varia [Колясникова, 1987].
У многолетних видов рода Medicago развитие зародыша происходит по одному типу. Данный тип развития зародыша, очевидно, свойственен в целом всему роду. Однако даже в пределах одного вида возможны отклонения, которые выражаются в различном направлении перегородок при формировании проэмбрио, в различной последовательности деления апикальной и базальной клеток двуклеточного проэмбрио, в форме и степени развития подвеска.
По картинам развития зародыша M. albus и M. officinalis наши данные согласуются с результатами исследований эмбриогенеза M. albus Н.С. Ерохиной и С.В. Шевченко [1995]. Деление зиготы поперечной перегородкой приводит к образованию двухклеточного проэмбрио. Далее и апикальная и базальная клетки делятся поперечно. Из базальной образуется длинный и тонкий, однорядный сус-пензор. Апикальная клетка в дальнейшем, делясь продольно и поперечно, дает собственно зародыш.
Мы констатируем, что развитие зародыша у M. albus и M. officinalis идет по Solanad типу.
У исследованных нами четырех видов рода Astragalus пыльцевая трубка проникает в зародышевый мешок через одну из синергид, иногда разрушаются обе синергиды. Первичное ядро эндосперма вступает в деление раньше деления зиготы. Эндосперм нуклеарного типа, клеткообразование мы наблюдали на стадии сердечковидного зародыша. Первое деление зиготы наступает после образования восьми-десяти ядер эндосперма, которые располагаются в микропилярной части зародышевого мешка. Зигота делится поперечно, образуя двухклеточный проэмбрио. Апикальная клетка делится косой перегородкой, формируя собственно зародыш. Эмбриогенез у исследованных астрагалов, по-видимому, можно отнести к Onagrad типу Trifolium вариации [Анисимова, 1997].
Сравнивая наши данные с результатами исследования Р.К. Гамбаровой [1986], следует отметить, что она определяет развитие зародыша астрагала нутового и ложносладколистного по Cruciferae -типу. М.М. Чубирко и Л.Н. Кострикова [1985] указывают на Onagrad - тип развития зародыша у трибы Astragaleae.
Растянутость фаз цветения-опыления-плодоно-шения может обеспечить некоторую поддержку и возобновление популяции дикорастущих растений в неблагоприятный год, но в условиях культуры не даст повышения семенной продуктивности.
Анализ литературных и собственных данных [Колясникова, 2004; Кузьменко, Колясникова, 2012] позволяет выявить целый ряд причин снижения семенной продуктивности. Существенное значение при работе с культивируемыми бобовыми травами имеет учет критических этапов в ходе формирования репродуктивных органов.
Выводы
1. В цитоэмбриологическом отношении изученные виды семейства Fabaceae обнаруживают большое сходство: двудольный тип развития стенки пыльника, двухклеточные зрелые пыльцевые зерна, кампилотропные двупокровные семязачатки, Polygonum-тип развития зародышевого мешка, ну-клеарный эндосперм с цитокинезом в микропиляр-ной части эндоспермального ценоцита.
Выявлены различия в развитии и строении репродуктивных структур у разных видов исследованных родов семейства Fabaceae в количестве клеток археспория, размерам пыльцы и семязачат-
ков, строению суспензоров, типу развития зародыша.
2. Причинами снижения семенной продуктивности являются:
- стерилизация части семязачатков до опыления, обусловленная как генетическими, так и физиологическими факторами. Процент стерильных семязачатков варьирует у люцерны от 1 до 21%, у клевера - от 8 до 32%, у донника - от 0 до 13%.
- неблагоприятные погодные условия и нехватка опылителей. Часть цветков остаются неопылен-ными и, соответственно, фертильные семязачатки - неоплодотворенными.
- гибель фертильных, оплодотворенных семязачатков, вызванная генетическими факторами. У разных видов клевера дегенерирует до 16% семязачатков, люцерны - до 15%, у донника - до 8%.
Библиографический список
Анисимова Г.М. Onagrad - тип эмбриогенеза // Эмбриология цветковых растений. Терминология и концепции/ под ред. Т.Б. Батыгиной. СПБ, 1997. Т. 2. С. 510-512.
Верещагина В.А., Колясникова Н.Л. Эмбриология некоторых многолетних видов люцерны (Medicago L.) // Ботан. журн. 1990. Т. 75, № 5. С. 604-614.
Гамбарова Р.К. Эмбриологическое исследование некоторых представителей рода Астрагал (Astragalus L.) // Гаметогенез, оплодотворение и эмбриогенез семенных растений, папоротников, мхов. Кишинев, 1986. С. 8-9.
Ерохина Н.С. К эмбриологии Melilotus albus (Fabaceae) // Ботан. журн. 1995. Т. 80, № 11. С. 151-158.
Колясникова Н.Л. Биология размножения некоторых многолетних видов люцерны: автореф. дис. ... канд. биол. наук: 03.00.05. Ташкент, 1987. 17 с.
Мошкович А.М., Челак В.Р. Люцерна Medicago (Fabaceae) // Эмбриология зерновых бобовых и общебахчевых возделываемых растений. Кишинев, 1987. С. 171-177.
Отбор растений люцерны с высокой плодовитостью завязей: метод. указания / сост.: Л.И. Орел [и др.]. Л.: Изд-во ВИР, 1985. 35 с.
Чубирко М.М., Кострикова Л.Н. Семейство Fabaceae // Сравнительная эмбриология Brumelliaceae, Tremandraceae. Л., 1985. С. 125135.
Поступила в редакцию 24.05.2012
Embryology of some of the food plants of the family Fabaсeae Lindl.
N. L. Kolyasnikova, doctor of biology, professor
Perm State University. 15, Bukirev str., Perm, Russia,614990; Kolyasnikova @list.ru; (342)2396229
The results of studying the embryology of some legumes: Medicago, Trifolium, Melilotus, Astragalus. The estimation of fertility of pollen grains and embryo sacs. The development of the embryo and endosperm.
Key words: embryology; Medicago; Trifolium; Melilotus; Astragalus; Galega.
Колясникова Надежда Леонидовна, доктор биологических наук, профессор ФГБОУВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
