CC BY
50
эмбриология однолетних видов рода люцерна (MEDICAGO L., FABACEAE)
В. А. ВЕрЕщАГинА,
доктор биологических наук, профессор,
л. В. ноВосЕлоВА,
доктор биологических наук, доцент, профессор кафедры ботаники и генетики растений, Пермский государственный национальный исследовательский университет
614990, г. Пермь, ул. Букирева, д. 15; тел. 8(342)277-68-62;
e-mail: [email protected], [email protected]
Положительная рецензия представлена С. Л. Елисеевым, доктором сельскохозяйственных наук, профессором, заведующим кафедрой растениеводства Пермской государственной сельскохозяйственной академии.
Ключевые слова: люцерна, генетические ресурсы, однолетние и многолетние виды, эмбриология, семенная продуктивность, Medicago, световая микроскопия, люминесцентная микроскопия, пыльцевые зерна, семязачатки.
Keywords: Lucerne, genetic resources, annual and perennial species, embryology, seed productivity, light microscopy, luminescent microscopy, pollen grains, seed ovules.
цель и методика исследований.
Род Люцерна (М^юадо) включает 83 вида, из которых 62 относятся к однолетним растениям. Возделывается 4 многолетних вида и столько же однолетних. Наибольшее число сортов зарегистрировано у люцерны посевной (М. sativa). Многие из них характеризуются низкой семенной продуктивностью, это объясняется недостатком насекомых-опылителей и генетической системой само-несовместимости, блокирующей прорастание собственной пыльцы на рыльце цветка. В связи с этим особое значение приобретает изучение однолетних видов рода Medicago, которые являются донорами генов автофертильности (система самонесовместимости не работает) и автотриппинга (опыление происходит без участия опылителей).
Цель нашей работы — изучение генетических ресурсов растений рода Medicago для использования полученных данных в селекционных программах. Это многоэтапный процесс, включающий изучение цветения и опыления на широком эколого-географическом материале, эмбриологии и семенной продуктивности. На важное значение таких исследований для практической селекции указывал еще Н. И. Вавилов [1]. В данной статье мы рассматриваем результаты эмбриологического анализа однолетних видов рода Medicago в сопоставлении их с ранее полученными данными по многолетним видам [2].
В период с 1986 г. исследована эмбриология 26 однолетних видов рода Medicago, представленных более чем 480 образцами различного географического происхождения, собранными в экспедиционных условиях и находящимися в коллекции ВНИИ растениеводства им. Н. И. Вавилова. За период работы проведены наблюдения за растениями из дикорастущих ценопопуляций и на коллекционных участках, выполнено около 3000 фиксаций цветков, изготовлено более 8000 препаратов из завязей и 2000 препаратов из пыльников. Для анализа препаратов использовалась световая и люминесцентная микроскопия. Полученные в ходе исследования данные обработаны статистически.
результаты исследований.
Развитие и фертильность пыльцевых зерен.
Пыльники люцерны четырехгнездные, стенка пыльника формируется по типу двудольных. Самые ранние стадии развития пыльников наблюдаются в крошечных бутонах, расположенных в пазухах листьев. В этот период ткань пыльника уже дифференцирована: выделяется спорогенная ткань и стенка пыльника, которая в
8
период мейоза микроспороцитов включает эпидермис, эндотеций, средний слой и тапетум. Одноядерный тапе-тум секреторного типа дегенерирует ко времени обособления микроспор. Стенка зрелого пыльника образована эпидермисом и эндотецием; клетки эндотеция вытянуты в радиальном направлении и имеют фиброзные утолщения; клетки эпидермиса уплощены. Зрелая стенка пыльника у всех видов имеет сходное строение. Спорогенные клетки располагаются в 1-2 слоя, у них крупные ядра. Образование микроспор симультанное, расположение их тетраэдрическое. Высвобождение микроспор в пределах цветка и даже пыльника асинхронно. Зрелые пыльцевые зерна двухклеточные, округлые, трехпоровые. У M. inteгtexta обнаружены пыльцевые зерна с четырьмя порами. Средняя величина зрелых пыльцевых зерен у однолетних видов варьирует от 25,2 мкм у M. 1ириИпа до 53,4 мкм у M. tuгbinata по полярной оси и от 22,2 мкм до 52,2 мкм у этих же видов в поперечнике по экватору. Соотношение этих величин наиболее близко к единице (1,02) у M. tuгbinata, наибольшее (1,14) — у M. 1ириИпа. В процессе развития, с момента образования одноклеточного пыльцевого зерна до зрелого двуклеточного, линейный размер по полярной оси увеличивается в 1,5-2,4 раза. Размеры пыльцевых зерен у многолетних видов люцерны по диаметру варьируют от 22,8 мкм до 43,4 мкм. M. difalcata и M. ^аи^ейеп достоверно отличаются от остальных видов по размерам пыльцевых зерен. Среди последних выделяются две группы: M. соеги1еа, M. quasifalcata, M. ро!ус11гоа, M. sativa с пыльцевыми зернами от 33,8 до 34,6 мкм и M. glutinosa, M. falcata, M. сапсе1^а с пыльцевыми зернами 35,8-36,5 мкм. Менее всего из многолетних видов варьируют по размерам пыльцевых зерен M. difalcata и M. ро!ус11гоа. Наименьшие размеры пыльцевых зерен зарегистрированы у диплоидных видов, несколько крупнее пыльцевые зерна тетраплоидов, самые крупные — у гексапло-идного вида M. сапсе1^а [2, 3].
фертильность пыльцевых зерен изучена у 167 коллекционных образцов однолетних видов. Средний показатель фертильности пыльцевых зерен высок и колеблется от 85 % до 100 %. У 8 из 18 видов обнаружены коллекционные образцы с 100 % фертильностью пыльцевых зерен. Средний процент фертильности по 9 многолетним видам [3] варьировал от 67,2 до 83,9, но в пределах каждого вида встречаются как высоко-, так и среднефертильные растения. Наиболее высока фертильность у M. difalcata и M. falcata — 80 % растений этих
'М'М'М. т-эуи. пэгоб. ги
видов имеют 76-100 % фертильных пыльцевых зерен. Наиболее варьирует фертильность у M. coerulea, у которой лишь 38,5 % изученных образцов имеют пыльцевые зерна с таким же высоким процентом фертильности. M. sativa по фертильности занимает промежуточное место среди исследованных видов. У многолетних видов не обнаружено ни одного коллекционного образца со 100 % фертильностью или высокостерильного. В целом в развитии пыльника и пыльцевых зерен однолетних видов не выявлено каких-либо отличий от многолетних видов Medicago. Раннее развитие мужского гамето-фита, созревание которого происходит задолго до раскрытия цветка, в зеленых бутонах, скрытых чашелистиками, характерно и для многолетних, и для однолетних видов люцерны. Отличительной чертой однолетних видов Medicago является прорастание пыльцевых зерен в пыльниках.
Развитие и фертильность зародышевых мешков.
Все исследованные виды люцерны имеют кампило-тропные, крассинуцеллятные, двупокровные семязачатки. Самый верхний семязачаток со стороны рыльца обычно повернут к столбику, в то время как остальные — к основанию завязи. Число семязачатков у разных видов люцерны различно, но постоянно у каждого вида. Число семязачатков в завязи у исследованных однолетних видов Medicago варьирует от 1 у M. lupulina до 15 у M. orbicularis. Наибольшее среднее число семязачатков зарегистрировано у M. orbicularis (13,3 ± 0,5) и M. intertexta (9,3 ± 0,5). Коллекционные образцы одного вида, разные по происхождению, не отличаются существенно по числу семязачатков в завязи.
Общее число закладывающихся в завязи семязачатков у многолетних видов [4] колеблется от 5,8 у Medicago cancellata до 9,6 у M. coerulea. Число семязачатков не коррелирует ни с длиной пестика, ни с размерами цветка, хотя длина пестика от основания завязи до кончика рыльца наименьшая у M. cancellata (в среднем 4,8 мм при длине распустившегося цветка 6,1 мм), но самые длинные пестики отмечены у M. trautvetteri (5,7 мм и 8,1 мм соответственно), среднее число семязачатков в завязи которых занимает промежуточное положение (9,0). У всех исследованных видов люцерны обнаруживается дегенерация части семязачатков до опыления. Среднее число стерильных семязачатков на завязь для разных видов невелико (1-2) и в разные годы непостоянно, этот признак не является видовым.
В результате мейоза наряду с линейными тетрадами макроспор формируются и тетраэдрические. Халазальная макроспора из тетрады образует зародышевый мешок, остальные макроспоры дегенерируют, их остатки сохраняются длительное время. Зародышевый мешок развивается по Polygonum-типу. Антиподы эфемерны, они дегенерируют в процессе созревания зародышевого мешка. После обособления клеток яйцевого аппарата антипод и центральной клетки начинается увеличение размеров зародышевого мешка, которое идет параллельно с развитием бутона.
В созревающем зародышевом мешке в центральной клетке и яйцеклетке откладывается большое число крахмальных зерен; вычлененные зародышевые мешки, окрашенные йодидом калия, практически черного цвета. Мы подразделили крахмальные зерна, встреченные у однолетних видов, по размерам на крупные, мелкие и пылевидные. Пылевидные крахмальные зерна присутствуют в зародышевом мешке и в интегумен-тах семязачатка. Они обнаруживаются в зародышевом мешке на всех стадиях его развития. Крупные и мелкие
крахмальные зерна присутствуют только в зародышевом мешке. По наличию или отсутствию в зародышевом мешке крахмальных зерен определенного размера однолетние виды Medicago отличаются друг от друга. Большинство видов имеют крупные и пылевидные крахмальные зерна: M. intertexta, M. orbicularis, M. arabica, M. scutellata, M. turbinata. Причем у M. scutellata иногда крупные крахмальные зерна отсутствовали и присутствовали только пылевидные. У M. turbinata в разных зародышевых мешках встретились крупные и пылевидные крахмальные зерна или мелкие и пылевидные. У M. lupulina обнаруживаются только мелкие и пылевидные крахмальные зерна, а в отдельных случаях — только пылевидные. У видов, в зрелых зародышевых мешках которых присутствуют крупные крахмальные зерна, установлено постепенное увеличение размеров крахмальных зерен в процессе развития зародышевого мешка. Время появления крупных и мелких крахмальных зерен различно. Мы наблюдали появление крахмальных зерен в стадии дву-ядерного мешка у M. scutellata, M. orbicularis, M. turbinata, M. lupulina. У M. intertexta крахмальные зерна появляются на стадии четырехядерного зародышевого мешка. В зрелом зародышевом мешке у всех видов присутствует большое количество крахмальных зерен. Крахмальные зерна чаще всего скапливаются в центральной клетке, около полярных ядер, но нередко весь зародышевый мешок заполнен крахмальными зернами. В норме зародышевый мешок может содержать разное количество крахмальных зерен. Чаще всего встречались мешки с очень большим содержанием крахмальных зерен. Зародышевый мешок окружен углеводной оболочкой, которая становится заметной на стадии двуядерного зародышевого мешка. Толщина углеводной оболочки различна у разных видов. Самая мощная углеводная оболочка встретилась у M. lupulina, у M. arabica, M. orbicularis, M. turbinata она очень тонкая. Зародышевые мешки, содержащие большое число крахмальных зерен, мы относили к фертильным. У однолетних видов к стерильным можно отнести зародышевые мешки длиной менее 100 мкм; зародышевые мешки, в которых (в результате нарушения синтеза крахмала), во-первых, встречаются мелкие крахмальные зерна у видов, для которых характерны в норме крупные крахмальные зерна; во-вторых, отсутствуют пылевидные крахмальные зерна у видов с мелкими и пылевидными зернами; в-третьих, зародышевые мешки с толстой углеводной оболочкой.
В развитии семязачатков и зародышевых мешков многолетних видов [5] выявлены нарушения: гибель семязачатков происходит на всех стадиях развития завязи и семязачатков, начиная с заложения спорогенной ткани — археспориальных клеток — до момента созревания семян. Генетически закрепленная частичная гибель женского гаметофита наблюдается у видов как с малым, так и с достаточно большим числом семязачатков в завязи. Аномалии в строении семязачатков разнообразны, частота их встречаемости варьирует как у разных растений одного вида, так и между видами. Подобные нарушения выявлены и у однолетних видов люцерны, но они единичны.
Двойное оплодотворение. Зародыш и эндосперм. Семенная продуктивность.
Период времени от начала прорастания пыльцы на рыльце до двойного оплодотворения составляет от 4 до 24 часов у разных видов. Процесс двойного оплодотворения у однолетних и многолетних видов рода Medicago не имеет особых отличий. Оплодотворение порогам-ное, пыльцевая трубка изливает свое содержимое в
одну из синергид, иногда разрушенными оказываются обе синергиды. Зигота после некоторого периода созревания делится поперечной перегородкой, образуя апикальную и базальную клетки. У многолетних видов первое деление зиготы отмечено через 48 часов после опыления, когда формируются 4-6 ядер эндосперма. У однолетних видов через 48 часов после искусственного трип-пинга наблюдались линейные и шаровидные зародыши с суспензором. У многолетних видов после принудительного самоопыления нормальное развитие зародыша выявлено в 2-3 семязачатках завязи (общее количество семязачатков в завязи от 5 до 15), в остальных семязачатках обнаружены дегенерирущие неоплодотворен-ные зародышевые мешки. У однолетних видов почти все семязачатки оплодотворены. Развитие зародыша исследованных видов идет по типу Сагуор1пу1^, вариации Medicago. Длина подвеска варьирует в зависимости от числа образующих его клеток. У многолетних видов соотношение числа семян и числа закладывающихся семязачатков составляет 1 : 10, у однолетних видов при благоприятных условиях в большинстве случаев число семян близко к числу закладывающихся семязачатков.
Системы размножения.
Ранее было установлено [6, 7], что исследованные однолетние и многолетние люцерны четко различаются системами размножения. Система семенного размножения вида — сложное явление. С одной стороны, она включает структурные, морфологические приспособления в цветке к определенному типу и способу опыления. С другой — функциональные аспекты биологии цветка, генетические механизмы, такие как несовместимость, стерильность. Существует и третья сторона. В системе размножения вида и морфологические, и функциональные аспекты следует рассматривать в связи с разнообразием экологических факторов, активно действующих на процесс опыления. Способ опыления многолетних видов Medicago — энтомофилия. Эти виды имеют мотыльковые цветки, привлекающие насекомых своей окраской — желтой или синей, хорошо воспринимаемой зрением пчелиных. На лепестках выделяются более темно окрашенные жилки — указатели нектара. Цветки содержат пыльцу и нектар. Мотыльковый венчик охраняет пыльцу и нектар от малоэффективных опылителей. Лепестки, благодаря системе ушек, зубцов и выростов, сочленены друг с другом и действуют как единая система, обеспечивая взрывной характер раскрывания цветка — триппинг Преимущество в опылении имеют сравнительно крупные опылители из пчелиных. Список опылителей, работающих на многолетних видах люцерны из секции Medicago, включает 83 вида, из них основными опылителями являются 8 [2].
Что касается типа опыления, то многолетние виды люцерны — преимущественно перекрестноопыляемые
растения. Об этом свидетельствуют морфология цветка, характер его раскрывания и опыления, а также опыты по искусственному опылению, проведенные в разных вариантах, включая принудительное самоопыление, и дополнивший их эмбриологический анализ. Самоопыление возможно, но оплодотворение предотвращается само-несовместимостью, которая обнаруживается цитоэмбриологически как в прогамную фазу оплодотворения, так и после него. В естественных условиях возможность образования семян в результате самоопыления у незначительной части цветков определяется автотриппингом, который явно зависит от экологических условий, прежде всего от температуры и относительной влажности воздуха.
У однолетних видов цветки мельче, при этом они также мотылькового типа и триппингующиеся. Дополнительной особенностью цветков является способность закрываться вечером и вновь открываться утром. Триппинг происходит без участия опылителей, это автотриппинг Автотриппинг обеспечивает автогамию, и отсутствие опылителей не влияет на образование семян. Кроме того, у однолетних видов Medicago при эмбриологическом исследовании с использованием световой и люминесцентной микроскопии обнаружено прорастание пыльцевых зерен в гнездах пыльников и рост пыльцевых трубок в завязи бутонов и нетриппингованных цветков. Такие цветки обычны у M. orbicularis, M. arabica, M. lupulina. У M. scutellata и M. turbinata таких цветков существенно меньше, у M. intertexta они единичны, у M. radiata не были зарегистрированы совсем. Последний вид по морфологическим признакам стоит особняком среди других Medicago, и систематиками оспаривается его принадлежность к данному роду.
выводы. рекомендации.
Итак, у изученных видов рода Medicago многолетние виды в высокой степени автостерильны и аутбредны, однолетние виды автофертильны и инбредны. В пределах одного рода с морфологически однотипным строением цветка и способом подачи пыльцы реализовались две полярно ориентированные системы размножения.
Однако сравнительно-эмбриологическое изучение формирования репродуктивных органов у однолетних и многолетних видов, отличающихся системами размножения, не обнаружило существенных различий в формировании и функционировании мужского и женского гаметофитов. Различия между однолетними и многолетними видами рода Medicago L. заключаются лишь в количественных параметрах и темпах развития, которые можно использовать в качестве таксономических признаков. Эмбриологическое исследование подтвердило несомненное филогенетическое родство исследованных видов, имеющее генетическую основу, и перспективность межвидовых скрещиваний.
литература
1. Вавилов Н. И. Генетика на службе социалистического земледелия // Избр. тр. : в б т. М. ; Л. : Наука, 196б. Т. б. С. 262-287.
2. Верещагина В. А., Колясникова Н. Л., Новоселова Л. В. Репродуктивная биология видов рода Medicago L. Пермь, 2004. 22б с.
3. Верещагина В. А., Колясникова Н. Л. Эмбриология некоторых многолетних видов люцерны (Medicago L.) // Ботан. журн. 1990. Т. 7б. № б. С. 604-614.
4. Верещагина В. А., Колясникова Н. Л. Оценка фертильности семяпочек у некоторых многолетних видов люцерны // Проблемы репродуктивной биологии семенных растений. Л., 1993. Вып. 8. С. 104-109.
б. Верещагина В. А., Колясникова Н. Л. Потенциальная и реальная семенная продуктивность завязей разных видов люцерны // Сб. науч. тр. по прикл. ботанике, генетике и селекции. Л., 1986. Т. 99. С. 23-27.
6. Верещагина В. А, Новоселова Л. В., Колясникова Н. Л. Многолетние и однолетние виды Medicago L. — две системы размножения // Ботанические исследования в Азиатской России : материалы XI съезда РБО. Барнаул, 2003. Т. 2. С. 133-134.
7. Верещагина В. А., Новоселова Л. В. Репродуктивная биология Medicago lupulina (Fabaceae) // Ботан. журн. 1997.
Т. 82. № 1. С. 30-38.
