CC BY
34
УДК 581.162 + 581.331.1
ОСОБЕННОСТИ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ В ПОПУЛЯЦИЯХ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ SCORZONERA И TRAGOPOGON (ASTERACEAE)
М.В. Полянская, А.С. Кашин, Т.В. Жулидова Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410012 г. Саратов, ул. Астраханская 83, E-mail: kashinas@sgu.ru
К основным параметрам системы семенного размножения цветковых растений, особенно важным для генетической структуры популяций, относятся, прежде всего, такие параметры, как способ опыления (аллогамия, автогамия) и способ образования семян (амфимиксис, апомиксис). Но степень изученности их по-прежнему остаётся недостаточной.
Целью данного исследования было сравнительное изучение основных параметров системы семенного размножения, таких как частота апо-и амфимиксиса, авто- и аллогамии, семенная продуктивность при различных режимах цветения, в популяциях некоторых видов Scorzonera и Tragopogon (Asteraceae) из различных районов Саратовской области. Ранее в пределах этих родов апомиксис не отмечался (Хохлов и др., 1978; Carman, 1995).
Материал и методика
Исследованы 9 популяций 4 видов Scorzonera и 5 популяций 3 видов Tragopogon из 8 районов Саратовской области, достаточно контрастных по условиям обитания.
Для исследования перед цветением в популяции случайным образом отбирали 30 растений. На каждом из растений обеспечивали все три режима цветения: режим свободного цветения; режим цветения изолированных некастрированных цветков; беспыльцевой режим цветения.
Для анализа завязываемости семян в режиме цветения при изоляции некастрированных цветков и при беспыльцевом режиме, соцветия, до цветения краевых цветков (на стадии зрелых бутонов), помещали под пергаментные изоляторы, под которым они находились до полного созревания семян.
Для создания беспыльцевого режима цветения цветки перед изоляцией предварительно механически кастрировались путем срезания при помощи лезвия верхней части соцветия вместе с пыльниками на уровне перехода венчика цветка в завязь.
Анализ семян производили под стереомикроскопом МБС-10. Вычисляли частоту завязываемости семян, как процентное отношение числа выполненных семян к общему числу цветков в соцветии.
Препараты зародышевых мешков готовили по ускоренной методике П.Г. Куприянова (1989). Соцветия на стадии зрелого зародышевого мешка фиксировали до опыления (цветки на стадии бутона) в фиксаторе Кларка (Паушева,
1980). Материал окрашивали 2%-ным ацетокармином в течение 5-6 часов. Анализ препаратов осуществляли под микроскопом "Axiostar-plus" (Zeiss) при увеличении 10 x 40.
Результаты и обсуждение
Из исследованных популяций Scorzonera при свободном цветении низкая семенная продуктивность (7.9 - 39.2 %) отмечена в 7 популяциях. Как следует из табл. 1, особенно низкой она была в популяциях S. ensifolia из Краснокутского и Б.-Карабулакского районов. Из 3-х лет наблюдения у растений этих популяций она лишь в 2006 г. была около 30 %, а в остальные годы не превышала 1020 %. Низкая семенная продуктивность при данном режиме цветения отмечена и в популяциях S. purpurea и S. stricta (около 30 %). Только у растений популяции S. ensifolia из Озинского района и популяции S. taurica из Ртищевского района по 1 -2 годам наблюдения отмечена высокая семенная продуктивность при свободном цветении (около 60 - 80 %).
Таблица 1. Семенная продуктивность растений в исследованных популяциях
родов Scorzonera и Tragopogon
Вид, № популяции и место оби- Год ис- Семенная продуктивность, %
тания следо- свободное изоляция без каст-рации беспыльцевой ре-
вания цветение цветков жим цветения
S. stricta Hornem. 147 (Атк) 2003 31.3±4.8 4.7±0.7 4.8±0.8
S. stricta Hornem. 163 (КрА) 2003 35.2±3.9 0 0
S. purpurea L. 142 (БКр) 2003 28.6+8.5 0 0
S. ensifolia Bieb. 201=235 (КрК) 2004 17.8+4.0 0 0
2005 7.9±2.6 2.8±0.4 0
S. ensifolia Bieb. 233 (Хв) 2005 - 1.8±0.9 0
2006 28.3±5.8 0 0
S. ensifolia Bieb. 237 (Оз) 2005 66.3±3.6 0 0
S. taurica Bieb. 247=340 (Ртщ) 2005 75.8±3.6 1.7±0.7 6.1±0.3
2006 56.5±4.7 0 0
S. taurica L. 360 (Хв) 2006 39.2±6.4 0 0
S. purpurea L. 311 (Хв) 2006 35.4±4.9 1.2±0.1
T. ruthenicus Bess. ex Krasch. et 2003 13.4±2.8 4.6±0.3 0
S. Nikit 166 (КрК)
T. dubius Scop. 145 (Сар) 2003 33.2±1.5 10.5±0.3 18.3±0.4
2004 29.7+5.8 8.3+0.5 6.6+0.9
2006 63.4±7.3 9.2±0.2 1.3±0.3
T. podolicus (DC.) Artemcz. 163 2004 46.4+6.6 0 0
(КрА)
T. podolicus (DC.) Artemcz. 2004 74.2+7.1 0 0
204=339 (Атк) 2006 44.5±5.2 0 0
T. dubius Scop.316 (Сар) 2006 - 0 7.8±0.3
П р и м е ч а н и е : Атк - Аткарский, БКр - Базарно-Карабулакский, КрА - Красноармейский, КрК -Краснокутский, Оз - Озинский, Ртщ - Ртищевский, Сар - Саратовский, Хв - Хвалынский районы Саратовской области. Прочерк означает отсутствие данных
При цветении в условиях изоляции некастрированных цветков семена в большинстве популяций не завязались. Лишь в отдельные годы с очень низкой частотой отмечена & ensifolia из Краснокутского (201) и Хвалынского (233) р-
нов, S. taurica (247) из Ртищевского р-на и S. purpurea (311) из Хвалынского р-на. Однако в популяции S. stricta из Аткарского р-на (147) она была около 5 % (табл. 1).
Так как при таком режиме цветения перекрёстное оплодотворение невозможно и семена могут завязываться только в результате автогамии или апомик-сиса, то можно говорить о том, что исследованные популяции относятся к алло-гамным или близким к аллогамным. При этом по результатам исследования слабую выраженность автогамии и (или) апомиксиса, причём в нерегулярной форме, можно допустить для популяций S. ensifolia из Краснокутского (201) и Хвалынского (233) р-нов, S. taurica (247) из Ртищевского р-на, S. purpurea (311) из Хвалынского р-на и популяции S. stricta из Аткарского р-на (147).
В условиях беспыльцевого режима семена завязались лишь в популяции 147 S. stricta из Аткарского р-на, а также в один из двух лет наблюдений - в популяции S. taurica (247) из Ртищевского р-на. Завязываемость семян при этом была на уровне 4,8 - 6,1 %. В остальных случаях семенная продуктивность при данном режиме цветения была равна нулю (табл. 1). Это указывает на то, что большинство исследованных популяций Scorzonera являются облигатно амфи-миктичными. Только у растений популяций 147 S. stricta из Аткарского р-на и 247 S. taurica возможна слабая выраженность автономного апомиксиса в нерегулярной форме.
Тот факт, что в последних двух популяциях между семенной продуктивностью при цветении в условиях изоляции некастрированных цветков и при беспыльцевом режиме цветения нет достоверных различий, говорит в пользу того, что отмеченный низкий уровень семенной продуктивности при этих режимах цветения связан, скорее, со слабой выраженностью автономного апо-миксиса, чем автогамии.
Из 5 исследованных популяций 3 видов Tragopogon при свободном цветении низкая семенная продуктивность (13.4 - 33.2 %) отмечена в 2 популяциях. Особенно низкой она была в популяциях T. ruthenicus из Краснокутского района (13.4±2.8 %). В популяции 145 T. dubius из 3-х лет наблюдения лишь в 2006 г. она была около 60 %, а в остальные годы не превышала 30-35 %. В остальных популяциях во все годы наблюдений семенная продуктивность при свободном цветении была выше 45 % (табл. 1).
При цветении в условиях изоляции некастрированных цветков семена в популяциях T. podolicus и в популяции 316 T. dubius из Саратовского р-на не завязались. В то же время в популяции T. ruthenicus завязываемость семян при данном режиме цветения была на уровне 4,6±0.3 %, а в популяции 145 T. dubius, обитающей в черте г. Саратова, в течение 3 -х лет наблюдений отмечена на уровне 8,3 - 10,5 % (табл. 1). Исходя из этого, исследованные популяции T. podolicus и популяция 316 T. dubius из Саратовского р-на относятся к облигатно аллогамным. Слабую выраженность автогамии и (или) апомиксиса можно допустить для популяций 166 T. ruthenicus из Краснокутского р-на и 145 T. dubius, обитающей в черте г. Саратова.
В условиях беспыльцевого режима семена завязались лишь в популяциях 145 и 316 T. dubius, причём во все годы наблюдений. Завязываемость семян в
первой из указанных популяций была на уровне 7,8±0,3 %, а во второй - значительно варьировала по годам в интервале 1,3 - 18,3 %. В остальных исследованных популяциях семенная продуктивность при данном режиме цветения была равна нулю (табл. 1). Это указывает на то, что большинство исследованных популяций Tragopogon являются облигатно амфимиктичными. Только у растений популяций Т. ^Ыш стабильно, хотя и с низкой частотой, реализуется автономный апомиксис. При этом завязываемость семян у растений данного вида при цветении в условиях изоляции некастрированных цветков связана, скорее, со слабой выраженностью автономного апомиксиса, чем автогамии.
Состояние зрелого мегагаметофита исследовали у растений 4-х популяций 3-х видов 8согюпега и 2-х популяций 2-х видов Tragopogon (табл. 2).
Таблица 2. Состояние зрелого мегагаметофита у растений в исследованных популяциях некоторых видов Scorzonera и Tragopogon
Вид, № популя- Год Зародышевые мешки
ции и место оби- иссле- всего из них, %
тания дова- иссле- нормаль- дегене- с развитием
ния дова- ного рирую- в т.ч.
но, шт строе-ния щие всего проэм-брио эндосперм обе структуры
S. stricta 147 (Атк) 2003 81 99,1±0,9 0 0,89±0,09 0,89 0 0
S. stricta 163 (КрА) 2003 246 99,5±0,5 0 0,48±0,08 0,48 0 0
S. ensifolia 237 (Оз) 2005 126 69,1±5,6 15,8±3,1 15,11±1,74 9,71 3,16 2,24
S. taurica 247=340 (Ртщ) 2005 93 75,6±7,2 19,8±6,9 4,13±0,67 2,88 0 1,25
2006 59 78,6±8,1 18,9±7,7 0 0 0 0
S. purpurea L. 311 (Хв) 2006 143 70,9±5,8 27,0±5,9 1,32±0,13 1,32 0 0
T. dubius 145 (Сар) 2003 464 97,7±0,6 0,9±0,5 2,32±0,18 2,32 0 0
T. ruthenicus 166 (КрК) 2003 571 99,8±0,2 2,7±0,9 0,23±0,13 0,23 0 0
П р и м е ч а н и е : Сокращения те же, что в табл 1.
В популяциях S. stricta из Аткарского (147) и Красноармейского (163) р-нов наблюдались лишь единичные случаи развития в зрелом мегагаметофите яйцеклетки без оплодотворения (менее 1 % от числа исследованных). Развитие в зрелом мегагаметофите яйцеклетки без оплодотворения с частотой более 1 % наблюдали в популяции 311 S. purpurea из Хвалынского р-на. Более высокая доля зародышевых мешков с признаками апомиктичного развития отмечена в популяции S. taurica (247) из Ртищевского р-на (более 4 %), а особенно высокая - в популяции S. ensifolia (237) из Озинского р-на (более 15 %). В остальных случаях отмечены зародышевые мешки Polygonum-типа нормального строения без признаков партеногенетического развития. При этом зародышевые мешки имели типичное для представителей Asteraceae строение. Яйцевой аппарат был
трёхклеточным. У синергид были хорошо видны зубовидные отростки. Центральная клетка чаще имела одно вторичное ядро, как результат слияния двух полярных ядер. Размеры, число ядер и место расположения, а так же форма антипод были не постоянными. Чаще всего антипод было четыре, они были мелкими и на момент исследования дегенерировали. При выделении и очистке зародышевых мешков зачастую отрывались.
Чаще всего в зародышевых мешках с признаками апомиктичного развития наблюдалась преждевременная эмбриония при наличии неповрежденных синергид. Отсутствие при этом делений в центральной клетке является дополнительным аргументом в пользу того, что в этих случаях имело место именно партеногенетическое развитие проэмбрио, так как после оплодотворения в норме первой приступает к делению центральная клетка зародышевого мешка.
Реже наблюдали развитие без оплодотворения центральной клетки зародышевого мешка, или яйцеклетки и центральной клетки одновременно.
Интересно, что в семязачатках растений из популяций S. taurica, S. ensi-folia и S. purpurea обнаружена довольно высокая доля (около 20-30 %) дегенерирующих зародышевых мешков. Характерно, что именно в популяциях этих видов при постоянном присутствии, хотя и с низкой частотой, зародышевых мешков с признаками партеногенетического развития элементов, образование апомиктичных семян в большинстве случаев не отмечалось. В отношении растений популяций данных двух видов напрашивается вывод о том, что, имея относительную склонность к партеногенетическому развитию мегамегагамет, они не реализуют или очень редко реализуют эту потенцию на уровне апомиктич-ного способа размножения. При этом сами зародышевые мешки с активированными к партеногенетическому развитию мегагаметами, вероятно, вскоре дегенерируют.
У растений популяций T. dubius и T. ruthenicus в подавляющем большинстве случаев на стадии зрелого мегагаметофита также отмечено формирование зародышевых мешков нормального, свойственного представителям Asteraceae строения Polygonum - типа.
В популяции 145 T. dubius, обитающей в черте г. Саратова, в 2,32 ± 0,18% от общего числа исследованных зародышевых мешков наблюдалось развитие яйцеклетки без оплодотворения. Зародышевые мешки с развитием эндосперма или одновременным развитием яйцеклетки и эндосперма в исследованной выборке растений не обнаружены. В 0,87 ± 0,50 % семязачатках зародышевые мешки дегенерировали.
Обнаружение у растений T. dubius явления преждевременной эмбрионии подтверждает сделанный выше на основании результатов исследования семенной продуктивности вывод о том, что растениям данного вида свойственно апомиктичное размножение. При этом остаётся большая вероятность того, что по данным цитоэмбриологического исследования получены заниженные результаты о частоте встречаемости апомиксиса. Ранее было показано, что частота апомиксиса, выявляемая по результатам цитоэмбриологических исследований, зачастую значительно ниже той, что выявляется по семенной продуктивности при беспыльцевом режиме (Кашин, Чернышова, 1997).
В популяции 166 T. ruthenicus из Краснокутского р-на в большинстве случаев в семязачатках также отмечены зародышевые мешки нормального строения Polygonum-типа. В 2,75 ± 0,92% случаев зародышевые мешки были дегенерированными, причём в большинстве случаев имела место полная, реже -частичная дегенерация элементов зародышевого мешка. Лишь в 0,23 ± 0,13% от общего числа исследованных зародышевых мешков наблюдали партеногенети-ческое развитие яйцеклетки.
Таким образом, растения популяции T. ruthenicus размножаются обли-гатно амфимиктично, хотя на цитоэмбриологическом уровне имеет место проявление тенденции к активации мегагамет к партеногенетическому развитию. Частота встречаемости партеногенетического развития проэмбрио не превышает долей процента, а при беспыльцевом режиме цветения семенная продуктивность была равна нулю.
Заключение
Популяции видов Scorzonera и Tragopogon, особенно видов S. ensifolia, S. purpurea, S. stricta T. ruthenicus, зачастую характеризуются низкой семенной продуктивностью (ниже 30 %). Большинство из исследованных популяций были облигатно аллогамными.
Слабую выраженность автогамии, причём в нерегулярной форме, можно допустить для популяций S. ensifolia из Краснокутского (201) и Хвалынского (233) р-нов, S. purpurea (311) из Хвалынского р-на, T. ruthenicus (166) из Краснокутского р-на.
Как следует из результатов изучения семенной продуктивности популяций при беспыльцевом режиме цветения, большинство исследованных популяций Scorzonera и Tragopogon являются облигатно амфимиктичными. Только у растений популяций 147 S. stricta из Аткарского р-на и 247 S. taurica возможна слабая выраженность автономного апомиксиса в нерегулярной форме. Более стабильньно апомиксис проявляется у растений популяций T. dubius.
Результаты цитоэмбриологического изучения подтверждают способность растений S. stricta к апомиктичному размножению в нерегулярной форме.
Обнаружение у растений T. dubius явления преждевременной эмбрионии подтверждает сделанный на основании результатов исследования семенной продуктивности вывод о том, что растениям данного вида свойственно апомик-тичное размножение.
Растения популяций S. purpurea (311) из Хвалынского р-на, S. taurica (247) из Ртищевского р-на и S. ensifolia (237) из Озинского р-на, имея относительную склонность к партеногенетическому развитию мегагамет, не реализуют или очень редко реализуют эту потенцию на уровне апомиктичного способа размножения.
Растения исследованной популяции T. ruthenicus размножаются скорее всего облигатно амфимиктично.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-04-49001).
Литература
Кашин А.С., Чернышова М.П. Частота апомиксиса в популяциях некоторых видов Taraxacum и Hieracium // Бот. журн. 1997. Т.82, № 9. С. 14—24.
Куприянов П.Г. Диагностика систем семенного размножения в популяциях цветковых растений. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. 160с.
Паушева А.Г. Практикум по цитологии растений. М., 1980. 304с.
Хохлов С. С., Зайцева М. И., Куприянов П. Г. Выявление апомиктичных растений во флоре цветковых растений СССР. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1978. 244 с.
Carman J.G. Gametophytic angiosperm apomicts and the occurrence of polys-pory andpoliembryony among their relatives //Apomixis Newsletter. 1995. N 8. P. 39-53.
