CC BY
52
Куприянов П. Г. Диагностика систем семенного размножения в популяциях цветковых растений. Саратов, 1989. 160 с.
Тырнов В. С., Еналеева Н. Х. Автономное развитие зародыша и эндосперма у кукурузы // Докл. АН СССР. 1983. Т. 272, № 3. С. 254-259.
Юдакова О. И., Гуторова О. В., Беляченко Ю. А. Методы исследования репродуктивных структур и органов растений : учеб.-метод. пособие для студентов биол. фак. Саратов, 2012. 44 с.
Enaleeva N. Ch., Tyrnov V. S. Cytological investigation of apomixis in AT-1 plants of corn // Maize Genetics Cooperation. Nevsletter. 1997. № 71. P. 74-75.
Cooper J. L., Birchler J. A. Developmental impact on trans-acting dosage effects in maize aneuploids // Genesis. 2001. Vol. 31, № 2. P. 64-71.
Lee E. A., Coe E. H., Darrah L. L. Genetic variation in dosage effects in maize aneuploids // Genome. 1996. Vol. 39, № 4. Р. 711-721.
УДК 581.16 + 582.998
КАЧЕСТВО ПЫЛЬЦЫ И ЦИТОЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ГАМЕТОФИТНОГО АПОМИКСИСА В ПОПУЛЯЦИЯХ ВИДОВ CHONDRILLA L. НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ
Ю. А. Полякова, Е. В. Угольникова, А. С. кашин, А. о. Попова
Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, Учебно-научный центр «Ботанический сад» 410010, Саратов, ул. Академика Навашина E-mail: [email protected]
Показано, что растения пяти исследованных видов (C. juncea, C. gramínea, C. canescens, C. brevirostris и C. latifolia) характеризуются высокой степенью дефектности пыльцы (60-80%) и наличием цитоэмбриологических маркёрных признаков гаметофитного апомиксиса. Это указывает на высокую вероятность их способности к семенному воспроизводству путём апомиксиса. Установлено, что частота обнаружения таких признаков существенно варьирует по годам и на меж-популяционном уровне. Выявлено, что C. ambigua является, скорее всего, половым видом, так как характеризуется фактически отсутствием дефектной пыльцы и мегагаметофитов с признаками апомиктичного развития элементов.
ключевые слова: гаметофитный апомиксис, цитоэмбриологические мар-кёрные признаки, дефектность пыльцы, Chondrilla, Asteraceae.
THE QUALITY OF POLLEN AND CYTOEMBRYOLOGICAL SIGNS OF GAMETOPHYTIC APOMIXIS IN THE POPULATIONS
OF CHONDRILLA L. SPECIES THE LOWER VOLGA REGION
Yu. A. Polyakova, E. V. Ugolnikova, A. S. Kashin, A. O. Popova
It is shown that the plants of the five investigated species (C. juncea, C. graminea, C. ca-nescens, C. brevirostris, C. latifolia) are characterized by a high degree of defectiveness of pollen (60-80%) and the presence of cytoembryological marker signs ga-metophytic atomixis. This indicates a high probability of their ability to seed reproduction by apomixis. It is established that the frequency of detection of these signs varies significantly among years and between-population level. It is revealed that C. ambigua is probably, after sex, because actually characterized by the absence of defective pollen and megagametophytes with signs apomictical development elements.
Key words: gametophytic apomixis, cytoembryological marker when signs, defections pollen, Chondrilla, Asteraceae.
Заключения о степени распространения апомиксиса в пределах рода Chondrilla L. (Asteraceae) остаются довольно противоречивыми. Фрагментарные сведения по эмбриологии видов этого рода в литературе приведены лишь по 11 видам (Сравнительная..., 1987). Поэтому представления о том, что диплоидные виды рода с числом хромосом 2n = 10 размножаются половым путём, а все полиплоидные виды с числом хромосом равным 15, 20 размножаются апомиктично (Bergman, 1952; Под-дубная-Арнольди, 1976; van Dijk, 2003), во многом являются умозрительными, сформировавшимися по аналогии с общими представлениями о структуре агамных комплексов у цветковых (Кашин, 1999, 2000). Имеется целый ряд противоречий в отнесении того или иного вида рода к половым или апомиктичным. Так, чаще всего указывается, что из примерно тридцати видов рода диплоидных половых вида два: C. ambigua Fisch. и C. chondrilloides Fisch. (Poddubnaja-Arnoldy, 1933; Bergman, 1952; Хромосомные., 1969; Числа., 1990), причём один из них (C. ambigua Fisch.) некоторые авторы считают не самостоятельным видом, а лишь разновидностью C. juncea var. ambigua Fisch. (Талиев, 1928). Сам же вид C. juncea является факультативно апомиктичным. Второй из перечисленных видов (C. chondrilloides) у ряда авторов указан как апомиктичный диплоспоро-вый вид (Поддубная-Арнольди, 1964; Хохлов и др., 1978). Кроме того, в качестве диплоидного полового вида у ряда авторов указан C. pauciflora
(van Dijk, 2003), хотя, судя по другим данным, этот вид триплоиден (Хромосомные., 1969; Числа хромосом., 1990; Хохлов и др., 1978) и апо-миктичен (Хохлов и др., 1978; Carman, 1995). По мнению ряда авторов, все виды рода считаются апомиктичными (Ильин, 1930; Леонова, 1964, 1989).
В связи с этим исследование особенностей системы семенного размножения видов и цитогенетической структуры популяций родового агамного комплекса Chondrilla представляется весьма актуальным. Эмбриологическое изучение может дать дополнительные сведения о степени таксономического родства форм рода Chondrilla и пролить свет на причины трудной в интерпретации таксономической структуры и особенностей системы семенного размножения у видов рода.
Всё вышеуказанное делает настоятельно необходимым проведение исследования особенностей системы семенного размножения в пределах агамного комплекса Chondrilla.
Целью исследования было сравнительное изучение цитоэмбриоло-гических признаков апомиксиса и степени дефектности пыльцы как косвенного признака, указывающего на высокую вероятность апомиксиса у той или иной таксономической формы (Хохлов и др., 1978; Куприянов, 1989) в популяциях видов рода Chondrilla Нижнего Поволжья. При этом нам видится очень важным уточнение и подтверждение ранее полученных данных (Добрыничева и др., 2005, 2006; Кашин и др., 2006), а также многолетний мониторинг параметров системы семенного размножения в одних и тех же популяциях исследуемых видов.
Материал и методика
Исследования проводили в 2013-2014 гг. В среднем в каждый год наблюдения исследовано по 30 растений из популяций C. juncea L. и C. gramínea Bieb., произрастающих в Аткарском, Базарно-Карабулак-ском, Краснокутском и Хвалынском р-нах, популяции C. canescens Kat. Et Kir., произрастающей в Хвалынском р-не Саратовской обл., а также популяции C. ambigua Fisch. и C. brevirostris Fisch. et Mey. из Астраханской и C. latifolia Bieb. из Волгоградской областей.
Соцветия для цитоэмбриологического анализа за 1-3 суток до цветения краевых цветков фиксировали в фиксаторе Кларка (96%-ный этиловый спирт и ледяная уксусная кислота в соотношении 3 : 1). Препараты зародышевых мешков готовили с использованием микропрепаровальных
игл после мацерации цитазой (Куприянов, 1982). Материал предварительно окрашивали 2%-ным ацетокармином. В качестве признаков апо-миктичного развития зародышевых мешков считали преждевременную эмбрионию и (или) развитие эндосперма без оплодотворения. В среднем по каждой популяции исследовано около 150 зародышевых мешков.
Анализ качества пыльцы у растений проводили в 2014 г. Использовали методику приготовления давленых препаратов пыльников, окрашенных ацетокармином (Юдакова и др., 2012). Для анализа брали пыльники нижних цветков из колосков, расположенных в центральной части соцветия. Пыльцу окрашивали ацетокармином и заключали в глицерин-желатиновую смесь. Подсчет разных морфологических типов проводили в ходе анализа выборки из 300 пыльцевых зерен, представляющих собой смесь из пыльников 3-5 цветков соцветия. Определяли степень дефектности пыльцы (СДП) как процентное отношение дефектных пыльцевых зёрен к общему числу проанализированных пыльцевых зёрен.
Приготовление препаратов осуществляли под стереомикроскопом Stemi-2000 (Karl Zeiss). Структуру зародышевых мешков и пыльцы изучали под микроскопом AxioLab (Karl Zeiss).
результаты и их обсуждение
У большинства исследованных видов рода СДП была высокой и варьировала в диапазоне от 60 до 90%. Основная масса дефектных пыльцевых зёрен представляла собой лишённые цитоплазмы, деформированные пыльцевые зёрна или сильно плазмолизированные пыльцевые зёрна с дегенерирующим содержимым. Исключение составила только популяция C. ambigua, растения которой характеризовались дефектностью пыльцы около 0% (табл. 1). Полученные по качеству пыльцы результаты говорят в пользу того, что C. ambigua, скорее всего, является половым видом, а остальные пять исследованных видов (C. juncea, C. graminea, C. canescens, C. brevirostris и C. latifolia) могут иметь склонность к семенному воспроизводству путём апомиксиса.
Это заключение подтверждают и полученные при исследовании состояния женского гаметофита результаты (табл. 2).
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 форме к другой, так что
Таблица 1
Качество пыльцы у растений видов ОюпйгШа Нижнего Поволжья
Пыльцевые зёрна, %
Название вида и место произрастания выполненные дефектные
популяции нормального размера крупные мелкие пустые плазмоли-зированные СДП, %
Chondrilla júncea + gramínea. Окрестности с. Дьяковка 27.11±2.92 0.60±0.17 0.31±0.11 47.90±5.41 24.07±2.74 72.29±2.96
Chondrilla júncea + gramínea. Аткар-ский район, окр. с. Приречное 39.58±1.87 0.00 0.00 32.66±1.72 27.75±1.01 60.42±1.88
Chondrilla júncea + gramínea. Б.-Карабулакский район, с. Алексеевка 29.87±2.23 0.00 2.78±1.23 31.08±1.40 36.26±1.85 70.13±2.23
Chondrilla latijolia. Волгоградская обл., г. Камышин 10.75±0.84 6.76±0.66 15.95±1.37 16.56±5.07 49.97±3.14 82.49±1.20
Chondrilla brevirostris. Астраханская обл., с. Кочковатка 21.76±3.27 0.00 3.69±1.80 47.45±7.29 27.09±3.99 78.24±3.28
Chondrilla ambigua. Астраханская обл., с. Досанг 97.69±0.54 0.00 0.44±0.17 0.00 1.85±0.48 2.21±0.51
№ 113, 115 С. júncea + gramínea, Хва-лынский район, окр. г. Хвалынск 9.56±1.45 0.95±0.38 0.64±0.37 11,89±1.94 76.96±2.73 89.49±5.04
Таблица 2
Частота апомиксиса в популяциях видов Chondrilla, выявленная по цитоэмбриологическим признакам
№ Название вида Год исследования Исследовано, шт ЗМ нормального строения, % Дегенерировавшие ЗМ, % Признаки гаметофитного апомиксиса,%
растений зародышевых мешков преждевременная эмбриония эндосперм без оплодотворения развитие обеих структур без оплодотворения всего
1 С. juncea+ gramínea, с. Дья-ковка 2014 25 250 64.00±8.85 0.00 10.0 3.33 22.80 36.13±8.07
2 С. juncea+ gramínea. Аткар-ский р-н, с. Приречное 2014 28 280 87.14±5.08 3.21±1.45 5.35 0.37 3.92 12.85±3.72
3 С. juncea+ gramínea. Базарно-Карбулакский р-н, с. Алексеевка 2013 11 103 70.91±5.13 0.00 4.55 14.55 10.0 29.01±3.90
2014 26 260 77.3±7.43 0.00 8.46 0.00 14.23 22.69±6.61
4 С. ambigua. Астраханская обл., с. Досанг 2013 19 185 100.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2014 30 125 100.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
5 С. brevírostrís. Астраханская обл., с Кочковатка 2013 14 140 100.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2014 29 275 74.90±6.81 0.00 7.24 7.24 10.22 24.70±4.10
6 С. canescens. Хвалынский р-н, г. Беленькая 2013 20 200 92.50±3.15 0.00 0.50 4.00 3.00 7.50±0.50
7 С. júncea. Хвалынск, гора Беленькая 2013 9 90 96.25±2.63 0.00 0.00 2.50 1.25 3.75±0.25
8 С. gramínea. Хвалынск, гора Беленькая 2013 13 123 92.09±4.52 0.00 4.49 3.42 0.00 7.91±0.42
9 С. juncea+ gramínea. Хвалынский р-н, г. Беленькая 2014 17 168 81.17±4.52 13.52±3.52 0.00 1.17 4.11 5.28±0.80
10 С. latifolia. Волгоградская обл. окр. г. Камышин 2013 5 50 70.00±8.36 0.00 6.00 24.00 0.00 30.00±5.09
2014 25 250 50.80±8.28 1.60±0.94 4.40 13.20 30.00 47.60±7.32
выделять «чистые» морфы растений того или другого вида с неперекрывающимися признаками было весьма проблематичным. По этой причине в 2014 г. во всех трёх местообитаниях из различных районов Саратовской области, а в 2013 г. - в одном из местообитаний (из Б.-Карабулакского р-на) исследовали смешанную случайную выборку растений этих двух видов, не подразделяя их по видовым признакам. при этом в 2014 г. выборки растений C. juncea + C. graminea из Краснокутского и Б.-Карабулакского р-нов по частоте встречаемости мегагаметофитов с признаками гамето-фитного апомиксиса достоверно не различались между собой (36.13±8.07 и 29.01±3.90% соответственно). Достоверно более низкая частота встречаемости таких мегагаметофитов отмечена в выборке растений двух исследуемых видов из Аткарского р-на (12.85±3.72%). Ещё более низкая частота цитоэмбриологических признаков апомиксиса обнаружена в популяциях из Хвалынского р-на. Исследование выборок растений, близких по комплексу морфологических признаков к тому или иному виду, показало, что частота цитоэмбриологических признаков гаметофитного апомиксиса в выборке растений, по морфотипу близких к C. graminae, более чем в 2 раза выше, чем в выборке растений, по морфотипу близких к C. juncea (7.91±0.42 и 3.75±0.25% соответственно) (см. табл. 2). Интересно, что при исследовании в 1999-2004 гг. выборок таких растений из популяций, произрастающих в других районах Саратовской обл. (Саратовский, Б.-Карабулакский, Краснокутский р-ны), напротив, растения, по морфитипу близкие к C. juncea, вели себя как факультативно апомиктич-ные, а растения, по морфитипу близкие к C. graminae, - как облигатно амфимиктичные (Кашин и др., 2006). При этом сходные результаты получены как при цитоэмбриологическом исследовании, так и при исследовании реальной семенной продуктивности в условиях беспыльцевого режима цветения.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что различные популяции этих двух видов в отношении параметров системы семенного размножения ведут себя по-разному, одни - как амфимиктичные популяции, другие - как факультативно апомиктичные. При этом частота обнаружения признаков гаметофитного апомиксиса в одной и той же популяции может существенно варьировать по годам, как это наблюдалось в смешанной популяции растений этих двух видов из Б.-Карабулакского р-на (в 2013 г. частота признаков апомиксиса была в 1.3 раза выше, чем в 2014 г.). В популяциях встречались все возможные варианты развития
элементов мегагаметофита без оплодотворения, т. е. преждевременная эмбриония, развитие эндосперма без оплодотворения, развитие в одном мегагаметофите зародыша и эндосперма без оплодотворения.
В популяции C. сanescens частота встречаемости мегагаметофитов с признаками апомиктичного развития в 2013 г. составила 7.5±0.5%. Чаще всего обнаруживалось развитие проэмбрио и/или эндосперма без оплодотворения, реже - развитие только проэмбрио. В 2005 г. частота обнаружения цитоэмбриологических признаков апомиксиса была почти в 6 раз выше, чем в 2013 г. При этом имели место два варианта развития элементов мегагамето-фита без оплодотворения: эндосперма и/или зародыша (Кашин и др., 2006).
В популяции C. latifolia в 2014 г. частота встречаемости цитоэмбриологических признаков гаметофитного апомиксиса была достоверно выше (47.6±7.32%), чем в 2013 г. (30.0±5.1%) (см. табл. 2). При этом в 2013 г. почти у трети, а в 2014 г. - у около половины исследованных мегагаме-тофитов были обнаружены цитоэмбриологические признаки апомиксиса. Как и в популяции C. Сanescens, чаще всего обнаруживалось развитие проэмбрио и/или эндосперма без оплодотворения, реже - развитие только проэмбрио. В 2005 г. частота обнаружения признаков гаметофитного апомиксиса в той же популяции данного вида была существенно ниже (в 2-3 раза), чем в 2013-2014 гг. (Кашин и др., 2006).
В популяции C. brevirostris в 2013 г. признаков гаметофитного апомиксиса не было обнаружено, в то время как в 2014 г. частота обнаружения таких признаков достигала почти 25% (см. табл. 2). При этом наблюдали с примерно одной частотой преждевременную эмбрионию и развитие проэмбрио и/или эндосперма без оплодотворения. В 2005 г. в популяции этого вида признаки гаметофитного апомиксиса обнаружены лишь примерно в 2.5% мегагаметофитов (Кашин и др., 2006), что в 10 раз ниже, чем в 2014 г.
В популяции C. ambigua в оба года наблюдения все мегагаметофи-ты имели нормальное строение без признаков апомиктичного развития (см. табл. 2). Подобная же картина наблюдалась и в 2005 г. (Кашин и др., 2006), т. е. популяция стабильно вела себя как облигатно амфимиктичная.
Таким образом, высокая степень дефектности пыльцы (60-80%) у растений пяти исследованных видов (C. juncea, C. gramínea, C. canescens, C. brevirostris и C. latifolia) указывает на высокую вероятность их способности к семенному воспроизводству путём апомиксиса. Обнаруженные у
них при цитоэмбриологическом изучении женской генеративной сферы признаки апомиктичного развития элементов мегагаметофита подтверждают это заключение. Частота обнаружения таких признаков существенно варьирует по годам и на межпопуляционном уровне. При этом чаще всего в одних и тех же популяциях (С. brevirostris и C. latifolia) в 2014 г. частота обнаружения таких признаков была существенно выше, чем в 2013 г. Только в смешанной популяции C. juncea + C. gramínea не было достоверности различий между частотами обнаружения цитоэмбриоло-гических признаков апомиксиса в 2013 и 2014 гг. C. ambigua является, скорее всего, половым видом, так как характеризуется фактически отсутствием дефектной пыльцы и мегагаметофитов с признаками апомиктич-ного развития элементов.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 15-04-04087).
Список литературы
Добрыничева Н. В., Кочанова И. С., Кашин А. С. Цитоэмбриологическое изучение частоты апомиксиса в популяциях Chondrilla juncea L. и C. graminae Bieb. // Бюл. Бот. сада Сарат. гос. ун-та. 2005. Вып. 4. С. 240-247.
Добрыничева Н. 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. 2006. Вып. 5. С. 307-312.
Ильин М. М. Chondrilla L. // Бюл. отдел. каучукон. 1930. № 3. С. 1-61.
Кашин А. С. Структура агамокомплексов и проблема сальтационного видообразования у покрытосеменных // Бот. журн. 1999. Т. 84, № 1. С. 15-29.
Кашин А. С. Геномная изменчивость, гибридогенез и возможности хромосомного видообразования при гаметофитном апомиксисе // Успехи современной биологии. 2000. Т. 120, № 5. С. 501-511.
Кашин А. С., Добрыничева Н. В., Кочанова И. С., Демочко Ю. А. Особенности семенного размножения в популяциях Chondrilla juncea и Chondrilla graminae (Asteraceae) // Бот. журн. 2006. Т. 91, № 5. С. 729-744.
Куприянов П. Г. Способ приготовления препаратов зародышевых мешков. А. с. № 919636 // Бюл. изобр. 1982. № 14. С. 7.
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, Ленингр. отд-ние. 1964. С. 560-586.
Леонова Т. Г. Хондрилла - Chondrilla L. // Флора Европейской части СССР. Т. 8. Л. : Наука, 1989. С. 57-61.
Поддубная-Арнольди В. А. Цитоэмбриология покрытосеменных растений. М. : Наука, 1976. 507 с.
Сравнительная эмбриология цветковых растений. Davidiaceae - Asteraceae. Л. : Наука, Ленингр. отд-ние. 1987. 392 с.
Талиев В. И. Определитель высших растений Европейской части СССР. М. ; Л. : Госиздат, 1928. 630 с.
Хохлов С. С., Зайцева М. И., Куприянов П. Г. Выявление апомиктичных растений во флоре цветковых растений СССР. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 1978. 224 с.
Хромосомные числа цветковых растений. Л. : Наука, Ленингр. отд-ние. 1969. 926 с.
Числа хромосом цветковых растений флоры СССР. Семейства Aceraceae -Menyanthaceae. Л. : Наука, Ленингр. отд-ние. 1990. 509 с.
Юдакова О. И., Гуторова О. В., Беляченко Ю. А. Методы исследования репродуктивных структур и органов растений : учеб.-метод. пособие для студентов биол. фак. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2012. 44 с.
Bergman B. Chondrilla chondrilloides, a new sexual Chondrilla species // Hereditas. 1952. Vol. 38, № 3. P. 367-369.
Carman J. G. Gametophytic angiosperm apomicts and the occurrence of polyspory and polyembryony among their relatives // Apomixis Newsletter. 1995. № 8. P. 39-53.
Dijk van P. J. Ecological and evolutionary opportunities of apomixis : insights from Taraxacum and Chondrilla // Phil. R. Soc. Lond. B. 2003. Vol. 358. P. 1113-1121.
Poddubnaja-Arnoldy W. A. Geschlechtliche und ungeschlechtliche Fortpflanzung bei einigen Chondrilla-Arten // Planta. 1933. B. 19, H. 1. S. 46-86.
