CC BY
12
РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 581.33
DOI: 10.36305/0513-1634-2020-136-87-97
ГЕНЕЗИС СТРУКТУР ГЕНЕРАТИВНОЙ СФЕРЫ PLATYCODON GRANDIFLOR US (JACQ.) A.DC.
Светлана Васильевна Шевченко
Никитский ботанический сад - Национальный научный центр РАН, 298648, Республика Крым, г. Ялта, пгт Никита, ул. Никитский спуск, 52 E-mail: shevchenko_nbs@mail.ru
В статье приведены результаты изучения процессов развития мужских и женских генеративных структур (стенки микроспорангия, спорогенной ткани, семязачатка и зародышевого мешка, микро- и мегаспор, мужского и женского гаметофитов) редкого вида - Platycodon grandiflorus (Jacq.) A.DC (семейство Campanulaceae). Определены типы формирования элементов мужской и женской генеративнойсферы (двудольный тип формирования стенки микроспорангия, симультанный тип образования тетрады микроспор, 3-клеточные зрелые пыльцевые зерна с 6 порами, Polygonum - тип формирования зародышевого мешка). Установлена высокая жизнеспособность пыльцевых зерен в период опыления и возможность получения полноценных семян при выращивании данного вида в культурфитоценозах Южного берега Крыма.
Ключевые слова: Platycodon grandijloras; микроспорангий; микроспора; пыльцевое зерно; мегаспорангий; зародышевый мешок; семена
Введение
Одной из важнейших проблем современности является сохранение фиторазнообразия, в том числе сохранение высоко декоративных и ресурсных растений. К таким ценным декоративным и лекарственным растениям можно отнести представителя семейства Campanulaceae ширококолокольчика крупноцветкового-Platycodon grandiflorus, в естественном виде произрастающего в Сибири, на Дальнем Востоке и в северо-западных областях Китая, Кореи и Японии. Platycodon grandiflorus - это многолетнее растение, с крупным ярко голубым цветком на верхушке побега и облиственным стеблем [12]. Корень мясистый, редьковидный, содержит млечный сок, благодаря которому растение используется как лекарственное. Вследствие хозяйственного освоения территорий произрастания вида, рекреационной нагрузки, массового сбора на букеты, а также заготовки лекарственного сырья численность вида снижается, в связи с чем он включен в сводку редких и исчезающих видов Амурской области и в ряд региональных Красных книг (Хабаровского края, Читинской области и др.). Благодаря высокой декоративности и с целью его сохранения вид культивируется во многих ботанических садах России (Благовещенск, Воронеж, Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск и др.), в Белоруссии, Латвии, странах Средней Азии, а также в коллекции лекарственных растений Никитского ботанического сада - Национального научного центра. В связи с перспективами широкого использования вида в декоративном садоводстве и как лекарственного растения представляется важным знание возможностей выращивания вида в различных регионах страны, определения типа размножения, а также адаптационного потенциала при различных условиях внешней среды. Целью данной работы было выявление особенностей формирования генеративных структур Platycodon grandiflorus для определения перспектив использования данного вида в озеленении Южного берега Крыма.
Объекты и методы исследований
Platycodon grandiflorus (Jacq.) A.DC. исследовали общепринятыми методами [5] в парковых фитоценозах Южного берега Крыма (Верхний парк НБС-ННЦ, парк Айвазовского (Партенит), коллекционный участок лекарственных растений НБС - ННЦ). Особенности эмбриологии изучали на постоянных препаратах, приготовленных по общепринятым методикам [10, 11]. Парафиновые срезы толщиной 10-12 мкм готовили на полуавтоматическом ротационном микротоме MRL- 3000 (ООО «МедТехникаПоинт», Россия). Препараты окрашивали метилгрюнпиронином с подкраской алциановым синим по разработанной нами методике [16, 17]. Анализ препаратов осуществляли с помощью микроскопов Enamed2 и AxioScopeA.1 (Carl Zeiss, Германия). Микрофотографии сделаны с помощью цифрового фотоаппарата Canon A 550 и системы анализа изображения AxioCamERc5s (Carl Zeiss, Германия).
Результаты и обсуждение
Platycodon grandiflorus (Jacq.) A. DC. - это многолетнее травянистое растение. Стебель с крупным, одиночным цветком на конце и сизоватыми сидячими листьями, от основания восходящий или прямой, сильно облиственный, высотой до 50,0 см [12]. В условиях выращивания на Южном берегу Крыма P. grandiflorus цветет с конца июня до конца июля, плодоносит в августе. Цветки обычно верхушечные, чашечка седоватая, с прямыми, заостренными зубцами, венчик ярко голубой с ярко выраженными темными жилками. Встречаются формы с белыми цветками и с двумя кругами лепестков (рис. 1). Венчик крупный, диаметром до 7,0-8,0 см, разделенный на яйцевидные лопасти, значительно превышает размеры венчика колокольчиков (рис. 2).
Рис. 1 Общий вид растений РШусойоп grandiflorus: А - форма с голубыми цветками, Б - форма с белыми цветками, В - форма с двумя кругами лепестков
Рис. 2 Цветки Platycodon grandiflorus (А) и Campanula pratensis (Б ), бутон Platycodon grandiflorus с частично удаленным венчиком (В) (ПЛ - пыльники, ТН - тычиночные нити)
Яркая окраска цветка P. grandijlorus и его размеры, значительно превышающие цветки других представителей семейства Campanulaceae (многие виды рода Campanula, Adenophora), привлекают различных насекомых.
Следует отметить, что P. grandijlorus очень красив не только в период цветения, но и в период бутонизации, поскольку бутоны его тоже окрашены и имеют необычную форму, напоминающую китайские фонарики (рис. 3).
Рис. 3 Цветки Platycodon grandiflorus на стадии бутонизации
Андроцей P. grandiflorus представлен 5 прямыми, равными тычинками, прикрепленными к основанию нектарного диска, и в закрытом бутоне плотно охватывающими столбик пестика. Тычиночные нити в два раза короче пыльников, имеют расширенные и опушенные основания, которые, как у колокольчиков и аденофоры [8, 18], смыкаясь, образуют купол с небольшими отверстиями,
способствующими насекомым достичь нектарный диск. Пыльник 4-гнездный, 2-тековый, стенка микроспорангия развивается по двудольному типу, и сформированная состоит из эпидермы, эндотеция, 3 средних слоев и однослойного секреторного тапетума. Сначала в субэпидермальном слое меристематического бугорка одна из инициальных, по определению И.И. Шамрова, (2008) или стволовых (по определению Т.Б. Батыгиной (2014), клеток дифференцируется в археспорий, в результате деления которой образуются спорогенная и париетальная клетки. Дальнейшее развитие париетального слоя формирует стенку микроспорангия, что еще раз подтверждает мнение Т.Б. Батыгиной с соавторами (1963) о париетальном происхождении стенки микроспорангия и соответствует первой стадии ее формирования (по классификации И.И. Шамрова) [14]. Как и у многих других колокольчиковых [3, 4, 7, 8] в каждом из гнезд пыльника развивается плацентоид (рис. 4). Спорогенная ткань обычно представлена 2-3 рядами клеток, иногда формируется только один ряд. Ко времени мейоза ряд клеток среднего слоя, примыкающий к тапетуму, дегенерирует, клетки тапетума вытягиваются радиально к центру микроспорангия, а клетки спорогенной ткани начинают обособляться. Следует заметить, что тапетум у Р. ^гап&Аотт имеет двоякое происхождение - в стенке микроспорангия он образуется из париетальной ткани, а со стороны связника - из клеток паренхимы, клетки его значительно крупнее клеток тапетума в стенке микроспорангия (рис. 4).
Результатом мейоза является образование 4-ядерного ценоцита, на основе которого после цитокинеза возникают тетрады микроспор симультанного типа. На стадии дифференцирующего митоза стенка микроспорангия состоит из эпидермы, эндотеция, 2 средних слоев со сплющенными клетками, при этом в клетках тапетума наблюдается деструкция, значительно уменьшается количество цитоплазмы и увеличивается вакуоль, которая занимает большую часть клеток, цитоплазма ее с ядром смещаются к центру микроспорангия (рис. 4 Б). Стенка зрелого пыльника Р. £тгапё1/1отт представлена сплющенными клетками эпидермы, покрытой толстой кутикулой, дв услойным, иногда трехслойным фиброзным эндотецием и остатками тапетума (рис. 5).
Рис. 4 Поперечный срез пыльника (А) и гнезда микроспорангия (Б) РШуеойон grandiflorus (ПЛТ -плацентоид,Т С - тапетум паренхимного происхождения, ЭП - эпидерма, Т П - тапетум париетального происхождения,СС - средние слои, Э - эндотеций)
Образовавшиеся в результате дифференцирующего митоза пыльцевые зерна Р. £тгапё1/1отт крупные с ядром вегетативной клетки и генеративной клеткой в центре. Спермиогенез с образованием двух спермиев проходит в пыльцевом зерне. В период
опыления пыльцевые зерна 3-х клеточные, 25,0-30,0 мкм в диаметре, 6-бороздно-оровые, с очень малым количеством аномальных пыльцевых зерен (рис. 6). В отличие от этого Н.А. Жинкиной и Е.Е. Евдокимовой (2020) указано, что при выращивании данного вида в условиях Ботанического сада Петра Великого Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН формируется 2-клеточная пыльца со значительным количеством аномалий. Следует отметить, что у многих видов семейства Сатрапи1асеае пыльцевые зерна 2-клеточные и 3-поровые [6, 19].
Рис. 5 Фрагмент микроспорангия Р. grandiflorus на стадии 2-клеточных пыльцевых зёрен
Рис. 6 Общий вид пыльцевых зерен Р. grandiflorus на разных стадиях развития: А - на стадии 2 клеточных пыльцевых зерен, Б - на стадии 3 клеточных пыльцевых зерен; (ЯВк - ядро вегетативной клетки, ГК - генеративная клетка, СП - спермии)
Завязь РШуеоёоп grandiflorus полунижняя, 5-гнездная, с множеством семязачатков, которые даже в одном гнезде развиваются асинхронно - одновременно можно наблюдать в гнезде семязачаток на стадии мегаспороцита и с тетрадой мегаспор. Семязачаток анатропный, унитегмальный, тенуинуцеллятный, по определению И.И. Шамрова, это медионуцеллятный тип семязачатка [15, 13]. Фуникулус короткий, имеются фуникулярный и плацентарный обтураторы - структуры секреторного типа, представленные одним рядом радиально вытянутых эпидермальных клеток. Плацентарный обтуратор расположен напротив микропиле и его клетки направлены к микропиле. Микропиле прямое, узкое, длинное. В результате срастания фуникулуса и интегумента образуется рафе. Сосудистый пучок доходит до халазы, формируется
интегументальный тапетум. Нуцеллус представлен только слоем эпидермы. Археспориальная клетка расположена в субэпидермальном слое и непосредственно преобразуется в мегаспороцит (рис. 7). В результате мейоза формируется обычно линейная тетрада мегаспор, хотя иногда встречаются и Т-образные тетрады. Зародышевый мешок чаще всего развивается из халазальной мегаспоры, изредка - из микропилярной или эпихалазальной. На стадии мейоза в семязачатке непосредственно под зародышевым мешком четко выражены 4 ряда удлиненных таблитчатых клеток гипостазы с утолщенными оболочками (рис. 7).
Зародышевый мешок удлиненный, 7-клеточный, яйцевой аппарат представлен яйцеклеткой и двумя синергидами с крючковидными отростками и нитчатым аппаратом. Микропилярная зона синергид расширена, в ней расположены ядра, халазальная зона удлиненная, зауженная. Полярные ядра расположены примерно в середине центральной клетки зародышевого мешка, сливаются до оплодотворения.
Рис. 7 Некоторые этапы формирования женской генеративной сферы Platycodongrandiflorus: А и Б - фрагменты семязачатка на стадии тетрады мегаспор; В - общий вид семязачатка; Г - общий вид зародышевого мешка; (ТМ - тетрада мегаспор; ФХМ - функционирующая халазальная
мегаспора)
Антиподы состоят из 3 клеток, сохраняются довольно долго, дегенерируют после оплодотворения, их можно наблюдать после первого деления эндосперма. В условиях выращивания на Южном берегу Крыма Р. £тгапё1/1отт цветет с конца июня до конца июля, плодоносит в августе. Яркая окраска цветка и его размеры, значительно
превышающие цветки других представителей семейства Campanulaceae (многие виды рода Campanula, Adenophora), привлекают различных насекомых.
Нектарник у данного вида внутрицветковый, расположен над завязью в виде диска. Пыльники вскрываются в закрытом цветке интрорзно, пестик в это время еще недоразвит и по мере его роста имеющиеся на пестике волоски снимают пыльцу из пыльников и выносят ее к верхушке цветка, некоторая часть пыльцы остается на насекомом. Насекомое, перелетая с одного цветка на другой, при движении к нектарному диску задевает раскрытые лопасти рыльца пестика. При этом оно оставляет пыльцу, находящуюся на его теле, и таким образом осуществляет опыление. То есть, P. grandiflorus относится к энтомофильным растениям, в полностью раскрытом цветке лопасти рыльца развернуты, а высохшие к этому времени пыльники завернуты вниз, что исключает возможность автогении и способствует аллогении (рис. 8).
Рис. 8 Раскрытые цветки РЬШусойоп grandiflorus: А - цветок с развернутыми лопастями рыльца (РЛР); Б, В и Г - цветки в период опыления с разными насекомыми -опылителями (П - пестик, ВТ - высохшие тычинки, НО - насекомые -опылители)
Эффективные процессы опыления и оплодотворения РЫуеоёоп ^уап&Аотш обеспечивают развитие зародыша и эндосперма. Как и у некоторых видов колокольчиков [3, 9], эндосперм целлюлярный, первое деление его поперечное, с образованием двух клеток, последующее развитие которых приводит к образованию микропилярного и халазального гаусториев и в центральной части - собственно эндосперма. Микропилярный гаусторий обычно одноклеточный с крупным ядром и ядрышком, халазальный гаусторий двуклеточный (рис. 10, 11).
Рис. 9 Зигота (З), первое деление эндосперма (ПДЭ) и фрагмент семени Platycodongrandiflorus (МГ -микропилярный гаусторий, ХГ - халазальный гаусторий)
Рис. 10 Фрагменты семени Platycodongrandiflorus с эндоспермальным гаусторием (С - суспензор) (А - фрагмент микропилярной части семени с одноядерным гаусторием; Б - фрагмент микропилярной части семени с гаусторием и суспензором зародыша)
Оплодотворение у Р. grandiflorus премитотического типа, после оплодотворения сначала делится ядро эндосперма, а зигота постепенно за счет деления базальной клетки и образования однорядного суспензора внедряется вглубь центральной клетки. Первые деления зиготы поперечные, и образующаяся тетрада клеток проэмбрио линейная, как и у других видов семейства Campanulaceae. В построении собственно зародыша принимают участие как базальная, так и апикальная клетки. Черты
формирования зародыша позволяют охарактеризовать его как Solanad-тип. Зрелый зародыш прямой, дифференцирован на органы (2 семядоли, апекс побега, гипокотиль и зародышевый корень), крупный и занимает 2/3 длины семени.
Образующийся плод - прямая, яйцевидная, вверх направленная коробочка с пятью отверстиями наверху для рассеивания семян (рис. 11). В условиях выращивания на Южном берегу Крыма семян формируется много, их жизнеспособность после стратификации в холодильнике течение месяца составляет около 95,0% (рис. 12), в отличие от Ботанического сада Петра Великого Ботанического института им. В.Л. Комарова, где семена P. grandiflorus не завязываются совсем [4].
Рис. 11 Фрагмент побега Р. grandiflorus с плодами (А), коробочки с семенами (Б) и семена (В)
Рис. 12 Прорастание семян Р. grandiflorus через 12 (А) и через 21 сут после посева
Сравнивая особенности формирования генеративных структур P. grandiflorus при выращивании его в разных регионах следует отметить у них черты сходства и различий. У P. grandiflorus, выращиваемого на Южном берегу Крыма, спорогенная ткань микроспорангия чаще всего 3-слойная и только изредка однослойная. При выращивании вида в Ботаническом саду Петра Великого БИН РАН в эндотеции отсутствуют фиброзные утолщения [4], в условиях ЮБК формируется эндотеций с фиброзными утолщениями, и в период опыления пыльцевые зерна 3-клеточные, 6-бороздно-оровые с незначительным количеством аномальных. Эффективные процессы
опыления, оплодотворения и последующего развития приводят к образованию большого количества полноценных жизнеспособных семян.
Выводы
Таким образом, P. grandiflorus обладает основными чертами генеративных структур, которые характерны для многих представителей семейства Campanulaceae (двудольный тип формирования стенки микроспорангия, Polygonum-тип формирования зародышевого мешка, целлюлярный с гаусториями эндоспе рм, Solanad-тип эмбриогенеза). Однако вид имеет некоторые специфические черты, выделяющие его на фоне других: размеры цветка, форма и окрас бутонов, пятигнездную завязь и рыльце пестика с пятью лопастями в отличие от видов рода Campanula с трехгнездной завязью и трехлопастным рыльцем, крупные 3-клеточные шести бороздно-оровые пыльцевые зерна. Незначительное количество аномальных пыльцевых зерен в общей массе пыльцы в период опыления позволяет предположить высокую жизнеспособность и оплодотворяющую способность мужских генеративных структур. Формирование большой доли полноценных семян в общей их массе свидетельствует о высоком репродуктивном потенциале P. grandiflorus, возможности его семенного размножения и использования в озеленении парков Южного берега Крыма.
Работа выполнена в рамках НИР №0829-2019-0039
Список литературы
1. Батыгина Т.Б. Биология развития растений. Симфония жизни. - Санкт-Петербург. Издательство: ДЕАН. - 2014. - 764 с.
2. Батыгина Т.Б., Терехин Э.С., Алимова Г.К., Яковлев М.С. Генезис мужских спорангиев Gramineae и Ericaceae. - Бот. журн. - 1963. - Вып. 48 (8). - С. 1108-1120.
3. Жинкина Н.А. Сравнительная эмбриология представителей семейства Campanulaceae: автореф. дисс. ...канд. биол. наук. Санкт-Петербург. - 1995. - 17 с.
4. Жинкина Н.А., Е.Е. Евдокимова. Развитие пыльника у Platycodon grandiflorus (Campanulaceae) // Бот. журн. - 2020. - Т. 105. - №3. - С. 300-309.
5. Исиков В.П. Интродукция и селекция ароматических и лекарственных культур: методологические и методические аспекты / В.П Исиков, В.Д. Работягов, Л.А. Хлыпенко, И.Е. Логвиненко, Л.А. Логвиненко, С.П. Кутько, Н.Н. Бакова, Н.В. Марко. -
- Ялта: НБС-ННЦ, 2009. - 110 с.
6. Камелина О.П. Систематическая эмбриология цветковых растений. Двудольные. - Барнаул: Изд-во «Артика». - 2009. - 501 с.
7. Камелина О.П., Жинкина Н.А. К эмбриологии Ostrowskia magnifica (Campanulaceae). Развитие мужских эмбриональных структур. - Бот. журн. - 1989. -Вып. 74 (1). - С.1293-1301.
8. Мирошниченко Н.Н. Особенности репродуктивной биологии некоторых видов рода Campanula L. Сборник научных трудов Гос. Никит. ботан. сада. - 2014. - Вып.139.
- С. 136-146.
9. Мирошниченко Н.Н. Особенности развития и размножения Campanula talievii Juz. в Крыму // Бюлл. Гос. Никит. ботан. сада. - 2019. - Вып. 130. - С. 141-148.
10. Паушева З. Практикум по цитологии растений. - М.: Колос. - 1990. - 283 с.
11. Ромейс Б. Микроскопическая техника. - М.: Изд-во иностр. лит-ры. - 1954. -
718 с.
12. Федоров А. А. Семейство Колокольчиковые - Campanulaceae / Флора СССР. В 30 т / Начато при рук. и под главн. редакцией акад.В. Л. Комарова; Ред. тома Б. К.Шишкин и Е. Г. Бобров. - М., Л. :Изд-во АН СССР. - 1957. - T.XXIV. - С.126-450.
13. Шамров И.И. Семязачаток цветковых растений: строение, функции, происхождение / Под ред. Т.Б. Батыгиной. Товарищество научных изданий КМК: -Москва, 2008. - 350 с.
14. Шамров И.И., Анисимова Г.М., Бабро А.А. Формирование стенки микроспорангия пыльника и типизация тапетума покрытосеменных растений // Бот. журн. - 2019. - Т. 104. - №7. - С. 1001-1032.
15. Шамров И.И., Жинкина Н.А. Развитие семязачатка у Azorina vidalii (Campanulaceae) // Бот. журн. 1994. - Т. 79. - №6. - С. 19-34.
16. Шевченко С.В., Ругузов И.А., Ефремова Л.М. Методика окраски постоянных препаратов метиловым зеленым и пиронином // Бюлл. Гос. Никит. ботан. сада. - 1986. -Вып. 60. - С. 99-101.
17. Шевченко С.В., Чеботарь А.А. Особенности эмбриологии маслины европейской (Olea europaea) // Сборник трудов Никитского ботанического сада: Цитолого-эмбриологические исследования высших растений. - 1992. - Т. 113. - С. 5261. - С. 52-61.
18. Шевченко С.В., Крайнюк Е.С. Биология развития и распространение Adenophora taurica в Крыму // Ботанический журн. - 2019. - Т. 104. - №8. - С. 47-56.
19. Шевченко С.В., Мирошниченко Н.Н. Антэкологические аспекты репродуктивного процесса некоторых видов рода Campanula L. // Бюлл. Гос. Никит. ботан. сада. - 2013. - Вып. 109. - С. 69-79.
Статья поступила в редакцию 01.07.2020 г.
Shevchenko S.V. Genesis of the generative structures Platycodon grandiflorus (family Campanulaceae) // Bull. Of the State Nikita Botan. Gard. - 2020. - №136. - P. 87-97.
The article presents the research results of the genesis of the elements of the microsporangium wall, sporogenous tissue, microspores, megaspores, male and female gametophytes of the Platycodon grandiflorus. The types of formation of the structures mail generative sphere (dicotyledonous type of microsporangium wall formation, simultaneous type of the tetrad microspores development, 3-cells of the pollen grains with 6-th pores, Polygonum - type of the formation embryo sac) have been established. A high viability of pollen grains was established during pollination and possibility of obtaining complete seeds when growing this species in the conditions of the Southern Coast of the Crimea.
Key words: Platycodon grandiflorus; microsporangium; microspore; male gametophyte; pollen grains; female gametophyte; embryo sac; seeds
